knt-wp01型风光互补发电系统逆变模块研究毕业论文.docx

天津中德职业技术学院电气与能源学院毕业论文

目 录

【摘要】 3
前 言 4
第一章 风光互补发电概况 5
第二章 KNT-WP01型风光互补发电系统 6
2.1 光伏供电装置和光伏供电系统 6
2.1.1光伏供电装置 6
2.1.2 光伏供电系统 7
2.2 风力供电装置和风力供电系统 7
2.2.1 风力供电装置 7
2.2.2 风力供电系统 8
2.3 逆变与负载系统 9
2.4 监控系统 9
第三章 逆变器 10
3.1 概述 10
3.1.1 逆变器的定义 10
3.1.2 逆变技术的发展趋势 12
3.1.3 逆变器的主要技术指标 12
3.2 单相电压源逆变器 13
3.2.1 推挽式逆变电路 13
3.2.2 半桥式逆变电路 15
3.2.3 单相全桥逆变电路 15
第四章 KNT-WP01型风光互补发电逆变系统 17
4.1 逆变控制单元结构 17
4.1.1 DC-DC升压板 17
4.1.2 全桥逆变板 18
4.1.3 接口底板 20
4.2 KNT-WP01风光互补发电系统逆变原理 22
4.2.1 升压主电路 22
4.2.2 DC-AC变换结构 22
4.2.3 逆变主电路 23
4.3 系统通信功能 23
第五章 总结 25

KNT-WP01型风光互补发电系统
逆变模块研究

【摘要】 KNT-WP01型风光互补发电系统逆变器的工作过程是将蓄电池的12V的直流电通过 DC-DC和DC-AC变换，然后转变成正弦波220V/50Hz的工频交流电。本逆变器有很多优点，升压部分由SG3525驱动两个升压MOS管，SG3525脉宽调制控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。全桥逆变部分采用具有DSP性能的嵌入式微处理器TMS320F2812实现SPWM的调制，同时使用 TMS320F2812的其它功能模块，实施对数据的采集、系统的保护、启动逻辑控制等。
我们通过自制简单逆变电路，以此来研究该系统逆变工作原理。

【关键词】：DC-DC，DC-AC，升压，脉宽调制，SPWM调制

KNT-WP01型风光互补发电系统
逆变模块研究
前 言
能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏。各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。

第一章 风光互补发电概况
中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。
我国已经建成了千余个可再生能源的独立运行村落集中供电系统，但是这些系统都只提供照明和生活用电，不能或不运行使用生产性负载，这就使系统的经济性变得非常差。可再生能源独立运行村落集中供电系统的出路是经济上的可持续运行，涉及到系统的所有权、管理机制、电费标准、生产性负载的管理、电站政府补贴资金来源、数量和分配渠道等等。但是这种可持续发展模式，对中国在内的所有发展中国家都有深远意义。

第二章 KNT-WP01型风光互补发电系统
KNT-WP01型风光互补发电实训系统是2012年全国职业院校技能大赛高职组“风光互补发电系统安装与调试”赛项指定使用的大赛设备，由南京康尼科技实业有限公司提供。该设备是在2011年全国职业院校技能大赛高职组“光伏发电系统安装与调试”赛项指定使用的KNT-SPV01型光伏发电实训系统设备的基础上，增加了风力供电装置和风力供电系统，实现了功能拓展。
KNT-WP01型风光互补发电实训系统主要由光伏供电装置、光伏供电系统、风力供电装置、风力供电系统、逆变与负载系统、监控系统组成，如图2-1所示。KNT-WP01型风光互补发电实训系统采用模块式结构，各装置和系统具有独立的功能，可以组合成光伏发电实训系统、风力发电实训系统。

图2-1 KNT-WP01型风光互补发电实训系统
2.1 光伏供电装置和光伏供电系统
2.1.1光伏供电装置
1．光伏供电装置的组成
光伏供电装置主要由光伏电池组件、投射灯、光线传感器、光线传感器控制盒、水平方向和俯仰方向运动机构、摆杆、摆杆减速箱、摆杆支架、单相交流电动机、电容器、直流电动机、接近开关、微动开关、底座支架等设备与器件组成，如图2-2所示。

图2-2 光伏供电装置

4块光伏电池组件并联组成光伏电池方阵，光线传感器安装在光伏电池方阵中央。2盏300W的投射灯安装在摆杆支架上，摆杆底端与减速箱输出端连接，减速箱输入端连接单相交流电动机。电动机旋转时，通过减速箱驱动摆杆作圆周摆动。摆杆底端与底座支架连接部分安装了接近开关和微动开关，用于摆杆位置的限位和保护。水平和俯仰方向运动机构由水平运动减速箱、俯仰运动减速箱、水平运动和俯仰运动直流电动机、接近开关和微动开关组成。水平运动和俯仰运动直流电动机旋转时，水平运动减速箱驱动光伏电池方阵作向东方向或向西方向的水平移动、俯仰运动减速箱驱动光伏电池方阵作向北方向或向南方向的俯仰移动，接近开关和微动开关用于光伏电池方阵位置的限位和保护。
2.1.2 光伏供电系统
光伏供电系统主要由光伏电源控制单元、光伏输出显示单元、触摸屏、光伏供电控制单元、DSP控制单元、接口单元、西门子S7-200PLC、继电器组、接线排、蓄电池组、可调电阻、断路器、12V开关电源、网孔架等组成。
2.2 风力供电装置和风力供电系统
2.2.1 风力供电装置
1. 风力供电装置的组成
风力供电装置主要由叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵、侧风偏航机械传动
机构、直流电动机、塔架和基础、测速仪、测速仪支架、轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、单相交流电动机、电容器、风场运动机构箱、护栏、连杆、滚轮、万向轮、微动开关和接近开关等设备与器件组成，如图2-4所示。

图2-4 风力供电装置
叶片、轮毂、发电机、机舱、尾舵和侧风偏航机械传动机构组装成水平轴永磁同步风力发电机，安装在塔架上。风场由轴流风机、轴流风机支架、轴流风机框罩、测速仪、测速仪支架、风场运动机构箱体、传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮等组成。轴流风机和轴流风机框罩安装在风场运动机构箱体上部，传动齿轮链机构、单相交流电动机、滚轮和万向轮组成风场运动机构。当风场运动机构中的单相交流电动机旋转时，传动齿轮链机构带动滚轮转动，风场运动机构箱体围绕风力发电机的塔架作圆周旋转运动，当轴流风机输送可变风量风时，在风力发电机周围形成风向和风速可变的风场。
在可变风场中，风力发电机利用尾舵实现被动偏航迎风，使风力发电机输出最大电能。测速仪检测风场的风量，当风场的风量超过安全值时，侧风偏航机械传动机构动作，使尾舵侧风45º，风力发电机叶片转速变慢。当风场的风量过大时，尾舵侧风90º，风力发电机处于制动状态。由于风场的风向可变，风力供电装置还具有解缆功能。
2.2.2 风力供电系统
风力供电系统主要由风电电源控制单元、风电输出显示单元、触摸屏、风力供电控制单元、DSP控制单元、接口单元、西门子S7-200PLC、变频器、继电器组、接线排、可调电阻、断路器、网孔架等组成。

2.3 逆变与负载系统
逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、逆变器、逆变器参数检测模块、变频器、三相交流电机、发光管舞台灯光模块、警示灯、接线排、断路器、网孔架等组成。
2.4 监控系统
监控系统主要由计算机、力控组态软件组成。

第三章 逆变器
3.1 概述
逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能、风力发电中一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过直流电动机―交流发电机的旋转方式逆变技术，发展到二十世纪六、七十年代的晶闸管逆变技术，而二十一世纪的逆变技术多数采用了 MOSFET、IGBT、GTO、IGCT、MCT等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器（DSP)控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展，逆变装置也将向着体积更小、效率更高、性能指标更优越的方向发展。
3.1.1 逆变器的定义
逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。
逆变器及逆变技术按输出波型，主电路拓朴结构、输出相数等方式来分类，有多种逆变器，具体如下：

方波逆变器
正弦波逆变器 （按输出电压波形分类）
阶梯波逆变器

单相逆变器
三相逆变器 （按输出交流电相数分类）
多相逆变器

电压源型逆变器
（按输入直流电源性质分类）
电流源型逆变器

推挽逆变器
半桥逆变器 （按主电路拓扑结构分类）
全桥逆变器

单向逆变器
（按功率流动方向分类）
双向逆变器

有源逆变器
（按负载是否有源分类）
无源逆变器

低频逆变器
工频逆变器 （按输出交流电的频率分类）
中频逆变器
高频逆变器

低频环节逆变器
（按直流环节特性分类）
高频环节逆变器

3.1.2 逆变技术的发展趋势
逆变技术的原理早在1931年就有人研究过，从1948年美国西屋电气公司研制出第一台3KHZ感应加热逆变器至今已有近60年历史了，而晶闸管SCR的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了20世纪70年代，可关断晶闸管（GTO)、电力晶体管（BJT) 的问世使得逆变技术得到发展应用。到了20世纪80年代，功率场效应管（MOSFET)、 绝缘栅极晶体管（IGBT)、MOS控制晶闸管（MCT)以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化，大容量化创造了条件。进入80年代后，逆变技术从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件，提高开关频率方向发展。逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。
另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从8位的带有PWM口的微处理器到16位单片机，发展到今天的32位DSP器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到了较好的应用。
总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入二十一世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。
3.1.3 逆变器的主要技术指标
逆变器有许多重要指标，介绍如下：
1) 额定容量
2) 额定功率
3) 输出功率因数
4) 逆变效率
5) 额定输入电压、电流
6) 额定输出电压、电流
7) 电压调整率
8) 负载调整率
9) 谐波因数
10) 总谐波畸变率
11) 畸变因数
12) 峰值子数
电压源逆变器是按照控制电压的方式将直流电能转变为交流电能，是逆变技术中最为常见和简单的一种，下面从单相电压源逆变器入手，并由浅入深。
3.2 单相电压源逆变器
要从一个直流电源中获取交流电能，有多种方式，但至少应使用两个功率开关元件，单相逆变器有推挽式、半桥式、全桥式三种电路拓朴结构，如果每半个工频周期内只输出一个脉冲，我们称其为方波逆变器，如果每半个周期内有多个脉宽组成，并且脉冲宽度符合正弦波调制（SPWM)规律，则称其为正弦波脉宽调制输出。方波逆变技术实质上是一个单脉冲调制技术，下面介绍其工作原理。

3.2.1 推挽式逆变电路
图3-1是单相推挽式逆变器的拓朴结构，该电路由两只共负极的功率开关元件和一个初级带有中心抽头的升压变压器组成，若交流负载为纯阻性负载，当
t1≤t≤t2时VT1功率管加上栅极驱动信号Ug1，VT1导通，VT2截止，变压器输

图3-1 推挽电路拓扑结构
出端感应出正电压；当t3≤t≤t4时，VT2功率管加上栅极驱动信号Ug2，VT2导通，VT1截止，变压器输出端感应出负电压，波形如图3-2所示。若负载为感性负载，则变压器内的电流波形连续，输出电压、电流波形如图3-3 所示，推挽逆变器的输出只有两种状态+V0和-V0，实质上是双极性调制，通过调节VT1和VT2的占空比来调节输出电压。
推挽式方波逆变器的电路拓朴结构简单，两个功率管可共地驱动，但功率管承受开关电压为2倍的直流电压，因此适合应用于直流母线电压较低的场合。另外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。

图3-2 推挽电路波形 图3-3 推挽电路感性负载波形

3.2.2 半桥式逆变电路
半桥式逆变电路的拓朴结构如图3-4所示，两只串联电容的中点作为参考
图3-4 半桥电路拓扑结构
点，当开关元件 VT1导通时，电容 C1上的能量释放到负载 RL上，而当 VT2导通时，电容C2上的能量释放到负载RL上，VT1和VT2轮流导通时在负载两端获得了交流电能，半桥逆变电路在功率开关元件不导通时承受直流电源电压Ud，由于电容C1和C2两端的电压均为Ud/2（假设C1=C2），因此功率元件VT1和VT2承受的电流为2Id。实质上单相半桥电路和前一节讨论的单相推挽电路在电路结构上是对偶的。
半桥型逆变电路结构简单，由于两只串联电容的作用，不会产生磁偏或直流分量，非常适合后级带动变压器负载，当该电路工作在工频（50或者60HZ）时，电容必须选取较大的容量，使电路的成本上升，因此该电路主要用于高频逆变场合。
3.2.3 单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路也称“H桥”电路，其电路拓朴结构如图2-5所示，由

图3-5 单相全桥电路拓朴结构
两个半桥电路组成，以180°方波为例说明单相全桥电路的工作原理，功率开关元件Q1与Q4互补，Q2与Q3互补，当Q1与Q3同时导通时，负载电压U0=+Ud；当Q2 与Q4同时导通时，负载两端U0=-Ud，Q1 Q3 和Q2 Q4轮流导通，负载两端就得到交流电能。

第四章 KNT-WP01型风光互补发电逆变系统
在WP01型风光互补实训系统中，逆变器的工作过程是将蓄电池的12V的直流电通过DC-DC和DC-AC变换，然后转变成正弦波220V/50Hz的工频交流电。本逆变器有很多优点，升压部分由SG3525驱动两个升压MOS管，SG3525脉宽调制控制器，不仅具有可调整的死区时间控制功能，而且还具有可编式软起动，脉冲控制封锁保护等功能。全桥逆变部分采用具有DSP性能的嵌入式微处理器TMS320F2812实现SPWM的调制，同时使用 TMS320F2812的其它功能模块，实施对数据的采集、系统的保护、启动逻辑控制等。
4.1 逆变控制单元结构
逆变控制单元是由DC-DC升压板，全桥逆变板，核心板和接口底板组成的。用于对蓄电池12V直流电源的升压逆变。
4.1.1 DC-DC升压板
升压板的接线端示意图和PCB图如图4-1所示，DC-DC升压单元接线端口如表3-1

(a)

（b）
(a) DC-DC升压单元端子示意图 （b) DC-DC升压PCB图
图4-1 DC-DC升压电路
接线端
接线端端口
用途
标号
线型
CON1
BAT+
蓄电池输入
+ 12V
2.5mm2红色
BAT-
0V
2. 5mm2黑色
DC15V
+ 15V

GDN1

DC_L
DC_L
变压器副边输出直流低压
DC_L
0. 5mm2红色
GND1
GND1
0. 5 mm2白色
DC_HIGH
DC_H
变压器副边高压输出
DC_H
0.75 mm2红色
GND1
GND1
0. 75 mm2蓝色
表4-1 DC-DC升压电路接线端口
4.1.2 全桥逆变板
全桥逆变板的接线端示意图和PCB图如图4-2所示，全桥逆变单元接线端口如表4-2
(a)

（b）
(a)全桥逆变单元端子示意图 （b)全桥逆变PCB图
图4-2 全桥逆变电路

接线端
接线端端口
用途
标号
线型
DC_L
DC_L
为全桥逆变电路 提供工作电源
DC_L
0.5mm2红色
GND1
GND1
0.5mm2白色
SPWM_IN
SPWM1
H桥左上桥驱动 信号
SPWM1
0.5mm2蓝色
GND
GND
0.5mm2白色
SPWM2
H桥左下桥驱动 信号
SPWM2
0.5mm2蓝色
GND
GND
0.5mm2白色
SPWM3
H桥右下桥驱动 信号
SPWM3
0.5mm2蓝色
GND
GND
0.5mm2白色
SPWM4
H桥右上桥驱动 信号
SPWM4
0.5mm2蓝色
GND
GND
0.5mm2白色
DC_IN
DC_H
直流高压输入
DC_H
0.75mm2红色
GND1
GND1
0.75mm2蓝色
AC_OUT
AC_L
220V交流输出
L
0.75mm2红色
AC_N
N
0.75mm2蓝色
表4-2 全桥逆变电路接线端口

4.1.3 接口底板
接口底板接线端示意图和PCB板图如图4-3所示，DSP控制单元接线端口如表4-3所示。
(a) DSP控制单元接线端示意图

(b) DSP控制单元PCB板图
图4-3 DSP控制单元
接线端
接线端端口
用途
标号
线型
COM2
TX2
与监控上位机通 信
C3A
0.5mm2双芯屏蔽电缆
RX2
C3B
0.5mm2双芯屏蔽电缆
GND2
C3G
0.5mm2双芯屏蔽电缆
EVA PWMOUT
PWM1
发出H桥左上桥
PWM1
0.5mm2蓝色

GND
驱动信号
GND
0.5mm2白色

PWM2
发出H桥左下桥
PWM2
0.5mm2蓝色

GND
驱动信号
GND
0.5mm2白色

PWM3
发出H桥右下桥
PWM3
0.5mm2蓝色

GND
驱动信号
GND
0.5mm2白色

PWM4
发出H桥右上桥
PWM4
0.5mm2蓝色

GND
驱动信号
GND
0.5mm2白色
POWER
+24V
输入直流工作电
+ 12V
0.5mm2红色

0V
源
0V
0.5mm2白色

表4-3 接口底板电路接线端口

4.2 KNT-WP01风光互补发电系统逆变原理
4.2.1 升压主电路
逆变器中的DC-DC升压部分采用SG3525产生两个互补的方波脉冲来驱动两个 IRF3205M0S管，使得MOS管互补导通，经过变压器升压过后，再经过整流电路达到315V 稳定的直流高压。主电路如图4-4所示。

图4-4 升压主电路
4.2.2 DC-AC变换结构

图4-9 DC-AC全桥变换基本原理
DC-AC全桥变换的基本原理如上图所示，Ud为直流电压,V1,V2,V3,V4为可控开关。当 V1,V4导通V2,V3断开时，负载端电压Us为上正下负。反之，当V2,V3导通V1,V4断开 时，负载端电压Us为下正上负。这样，V1,V4和V2,V3按一定的频率互补导通，就能够实现DC-AC变换。
4.2.3 逆变主电路
逆变主电路主要是由4个IRF740N型沟道MOSFET和四个二极管组成的，由DSP发出的SPWM 脉冲来控制四个桥臂的轮流导通，主电路如图4-10

图4-10 逆变主电路图

4.3 系统通信功能
KNT-WPV02-INVERTER_V1.0 逆变控制系统带有 RS232 通信接口，通过该通信接口可与监控系统进行通信，实现上位机对逆变系统工作参数的查询和设置。
可查询的参数有：基波频率，载波频率，死区时间，调制比；
可设置的参数有：基波频率，死区时间，调制比；

基波频率为 50Hz 时的输出波形： 基波频率为 60Hz时的输出波形：

图4-15 基波频率为50Hz和60Hz时输出波形
死区时间为300ns 时的输出波形 死区时间为3000ns 时的输出波形

图4-16 死区时间为300ns和3000ns时的输出波形
基波：在复杂的周期性振荡中,包含基波和谐波。和该振荡最长周期相等的正弦波分量称为基波。相应于这个周期的频率称为基本频率。频率等于基本频率的整倍数的正弦波分量称为谐波。
死区时间：死区时间是PWM输出时，为了使H桥或半H桥的上下管不会因为开关速度问题发生同时导通而设置的一个保护时段。通常也指pwm响应时间。
死区时间时序图如图4-17所示：

图4-17 死区时间时序图

第五章 总结

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