光伏并网逆变系统中辅助电源的研究和方案设计

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1、光伏并网逆变系统中辅助电源的研究和方案设计第一章绪论1.1引言能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。历史上利用能源的方式有过多次革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展，人们逐渐认识到传统的能源利用方式有两大弊病。一是储存于燃料中的化学能必须要首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能，受卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有33%～35%[1]，一半以上的能量白白地损失掉了；二是传统的能源利用

2、方式给今天人类的生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。因此，随着人类生产需求的日益猛增以及地球生态环境的加速恶化，人们研究和开发高效低污染甚至零污染的新生能源技术的需求已经迫在眉睫。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。太阳能将成为21世纪最重要的能源之一，据专家预测，到2100年，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额[2]。1.2光伏技术的发展太阳能的光伏利用是太阳能利用的主要形式，主要分为五类：独立系统、并网发电、光电光热结合系统、风光互补和专用系统。最近几十年，太阳能的光伏利用通过以上几种形式得到了迅猛的

3、发展。90年代以来，发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的高潮，特别是发展屋顶光伏并网系统。屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳能电池安装在县城的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能源安全，受到了各国的普遍重视。并网发电是光伏利用的发展趋势，是太阳能发电规模化发展的必然方向[3]。-51-1.3光伏并网系统的拓扑光伏并网系统的核心是并网逆变器，它影响和决定整个系统是否能稳定、安全、可靠、高效地运行的一个主要因素，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。并网逆变器实质上是一个有源逆变系统。就并网系

4、统而言，可以分为电流型和电压型两大类。电流型的特征是直流测采用电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。电压型的特征是直流侧采用电容进行直流储能，从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性[4]。光伏并网系统从结构上还可以分为高频和工频两种。工频并网逆变器由于带有工频变压器而体积很大且笨重。它是先通过DC/AC变换，将太阳电池直流电能转化为交流电能，然后通过工频变压器和电网相连，完成电压匹配以及和电网的隔离，实现并网发电。高频并网逆变器首先通过DC/DC变换器将太阳能电池的直流电升压或者降压转化为满足并网要求的直流电压，然后通过桥式逆变后直接和电网相连[5]。无论

5、是并网逆变器中的哪一个模块，都离不开电力电子技术，电力电子技术是光伏技术应用与推广的重要技术支撑。1.4本课题研究的目的、背景和工作任务本课题研究的是光伏并网逆变器中的辅助电源。并网逆变器是光伏并网系统的核心，辅助电源则是并网逆变器中的重要组成部分。所谓辅助电源，就是逆变器系统内部用的给自身芯片提供驱动电压或者工作电压的电源，它的输出精度和稳定度直接影响到了逆变器其他模块的正常工作。它实际上是一个具有DC/DC变换功能的开关电源，通过某种电路拓扑来实现输入端到输出端的直流转换，其中涉及到脉宽调节、整流滤波、高频变压器和电压电流反馈控制等多种电力电子技术，是一个具有挑

6、战性的课题。由于逆变器的功率规格不同，对于较大功率的逆变器而言，为了使电流不至于增大很多，需要提高输入电压。因此，对辅助电源的技术指标提出了更高的要求。较高的输入电压意味着更宽的输入范围和开关管将承受更大的电压应力，这对于开关管的选择以及整个电源的稳定控制是一个值得研究的课题。公司目前正在研发5KW功率的光伏并网逆变器，本文研究的正是该逆变器中的辅助电源的设计方案，其技术指标为直流输入250V～700V，较公司以前的3KW，1KW等较小功率的产品具有更高更宽的输入范围，同时具有更多路的输出，其中增加了一路给风扇供电的输出端，这就增加了辅助电源的输出功率。在这些新的技

7、术指标下，对于功率管的耐压和功耗以及高频变压器的参数选择提出了更高的要求。-51-本课题就是在上述背景下展开的，本文第二章将分析电源的工作原理，重点研究反激式开关电源的拓扑结构和设计方法。第三章将讨论该辅助电源的三种实现方案的设计实例，其中第一种方案沿用公司较小功率产品中的辅助电源拓扑，对其电路参数进行反设计，产生设计计算报告，然后在该拓扑上进行修改。第二种方案将采用新的控制策略，实现相同的功能。第三种方案是在第二种方案上的改进，使用电压控制变频技术实现更宽电压范围的输入。第四章给出辅助电源的实验方案和测试结果，对实现结果进行分析，产生实验测试报告。第五章将对整