摘 要

光伏并网逆变器为多种可再生能源如太阳能、燃料电池发电，风能、其他可再生能源和小水电等提供了多种产生电能并传导到所需的地方的方法。光伏并网逆变器主要用于电网外部涉及不到的村镇发电系统，电网传送到家庭的供电系统和可再生能源供电系统。它也可以提供电力给通信、路灯、交通。因此，研究与设计基于IGBT的光伏并网逆变器的控制系统十分重要。本文将从四个方面进行研究。

（1）介绍并分析了光伏逆变器的各种拓扑结构和以及它们的优缺点；

（2）介绍绝缘删双极型三极管（IGBT）的特性和擎住效应；

（3）在以上理论和算法的研究基础上进行太阳能并网发电系统的硬件设计，并进行数据的筛选；

（4）根据硬件设计开始编辑软件，设计并筛选出最优的流程图；

（5）对以上硬软件进行仿真得出研究的结果可以施行。

关键词：光伏并网逆变器；控制算法；MALTAB；SPWM；LCL滤波器；IGBT

Abstract

Grid-connected photovoltaic inverter for a variety of renewable energy sources such as solar energy, fuel cell power generation, wind and other renewable energy and small hydropower provides several method of generate electricity and conduction to the desired place. Grid-connected photovoltaic inverter are mainly used for power generation systems in villages and towns outside the power grid, power supply systems and renewable energy power supply systems transmitted by the power grid to households. It can also provide electricity for communications, street lights, and transportation. Therefore, it is very important to study and design the control system of grid-connected photovoltaic inverter based on IGBT. This paper will study from four aspects.

（1）The various topological structures of the photovoltaic inverter and their advantages and disadvantages are introduced and analyzed.

（2）The characteristics and holding effect of the dipole triode (IGBT) are introduced.

（3）On the basis of the above theory and algorithm, the hardware design of solar energy grid-connected power generation system is carried out, and data selection is carried out.

（4）Edit the software according to the hardware design, design and screen the optimal flow chart.

（5）The simulation results of the above hard software can be implemented.

Key words: grid-connected photovoltaic inverter；control algorithm；MALTAB；SPWM, LCL filter；IGBT

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 本文的主要研究内容 3

第2章 光伏并网逆变器 4

2.1 光伏并网逆变器工作原理和分类 4

2.2 光伏并网逆变器技术 5

2.3 “孤岛效应”检测技术 6

2.4本章小结 7

第3章 基于IGBT逆变器控制算法的研究 8

3.1 绝缘栅双极型三极管（IGBT）的特性 8

3.2 IGBT擎住效应 10

3.3 并网逆变器控制系统 11

3.4 本章小结 12

第4章 并网逆变器硬件设计 13

4.1 主电路参数设计和功率器件选型 13

4.2 主控板设计 18

4.2.1 主控芯片性能指标 18

4.2.2 DSP控制系统资源分配 19

4.3 采样调理电路设计 21

4.4 电网电压过零检测电路 22

4.5 功率管驱动电路 23

4.6 功率管保护电路设计 23

4.7 本章小结 25

第5章 逆变器软件设计 26

5.1 软件总体设计 26

5.2 软件主程序设计 27

5.3 中断子程序 28

5.4 本章小结 32

第6章 系统测试 33

6.1 并网逆变器仿真实验 33

6.2 测试结果及分析 33

6.3 本章小结 33

总结 34

参考文献 35

致谢 36

第1章 绪论

1.1 背景

1.1.1 能源现状及发展

随着科技的发展，能源的利用五花八样，较之前不会享受的情景现在的人类越来越习惯随时随地消耗各种形式的能源。由俭入奢易，由奢入俭难，使用各式能量为自己获取方便似乎是一种毒品难以戒除。但是能源大部分都是有限的，现在的能源例如石油、煤炭、天然气等都遭到过度的开采，但是想要再生却需要上万年的光阴，总有一天再生的能力会跟不上人类使用的速度，且使用这些能源会造成很多环境问题，故寻找并使用清洁且可持续的能源是现今迫切需要解决的问题。现如今可以称得上且有所利用的清洁能源有风能、潮汐能、地热能、太阳能等，其中太阳能的资源是最庞大的，故越来越多的国家开始研究如何使用太阳能这一宝贵的资源。而现今用的最多的就是电能，故催生了光伏发电技术。现在最普遍的是太阳能发电，例如美国每家的屋顶都是一块大大的太阳能电池板，但是太阳能电池对太阳能利用率低，大概只有百分之十几，因此很难构造成电网的能源，通过电网发电。故提高太阳能转换为电能的效率是现今迫切需要解决的问题。尤其是中国，有很多地区例如中国中西部地区都具有丰富的太阳能资源，因此我国开发太阳能具有非常重要的意义。

1.1.2光伏逆变器市场现状

光伏发电技术起源于80年代初，由于技术，成本，效益等的限制，进展缓慢。近30年来，技术的不断发展造成研究光伏市场的成本降低，更多的人参与进来研究光伏发电技术，造就光伏发电技术飞速发展。

这几年，由于一次能源的过度采集，很多如德国、西班牙、意大利、美国等科技较为先进的国家都开始大量的投入资本研究光伏发电产业，随着光伏发电技术的不断突破，越来越多的光伏逆变器被生产销售，而销售越高就会促进更多的人去研究光伏逆变器，导致光伏逆变器的技术不断的走向成熟。由于德国、西班牙、意大利、美国等国家最先研究光伏发电技术，故他们的国家已经拥有较为成熟的光伏发电的技术，并产生了一系列光伏发电的产品。这几个国家现如今已经霸占了全世界光伏发电市场。

美国，日本利用其强大的工业基础和先进的半导体技术在光伏发电市场占据着很强的竞争优势。而这些都取决于公司的品牌。SMA、KACO、FrURIUS、IGETEARTI、西门子、Studier-XANTRX、丹麦丹佛斯、Conergy、POWER等电源在全球市场占有率为70%，变频器的领先者为44%，销量为9。老牌的光伏逆变厂家为了扩大竞争优势已经开始实行量产，减少成本增加市场竞争力。而刚进入市场的光伏逆变厂家只能通过新的技术来降低成本获得竞争力。

在中国，由于光伏逆变器市场在20世纪80年代才刚刚起步，故并没有专门的公司对光伏逆变器进行相关研究。现今随着光伏市场的不断发展和技术的不断走向成熟，已经有越来越多的公司设立专门的部门去研究光伏逆变器。由于我国属于发展中国家，这类研究起步较晚，故技术还无法与美国，日本相媲美。目前，我国发展较好的公司有合肥阳光电力公司WHICH，他现今占据60%的国内市场，并试图占领一部分欧洲市场。

目前，中国有许多逆变器制造商。但是在这些制造商中只有南京皇冠亚洲电力设备有限公司、合肥阳光电源股份有限公司、北京科罗科科技有限公司等少数公司一心一意的研究光伏发电系统，大多数都是分出某个小部门顺带研究一下光伏发电技术。由于光伏逆变器市场发展空间巨大，更多的商家看到了机遇，故越来越多的人加入研究光伏发电技术的行业，使得光伏发电技术走向成熟，从而使得企业可以规模化制造光伏逆变器，导致光伏逆变器的成本降低，甚至有的企业开发出大型的逆变器，使得产量进一步增加，成本进一步降低，最后造就了35%～40%的高利润率。

1.1.3 国内外研究现状

光伏并网发电系统比独立光伏发电系统减少了对体积大、不可维护、价格高的电池的利用，这是一大优势。因其不仅可以输出稳定的功率还造价低，故拥有十分广阔的发展空间。

1.1.3.1 国内研究的现状

由于中国是一个发展中国家，与其他国家如美国日本等国家还有一些差距，很多科技如光伏发电技术起步较晚，故与其他国家还有很大的差距，这也造就了光伏发电技术在我国只用于一些较为复杂的领域，还不太普遍。例如光伏逆变器，在我国只有少数大学和研究所在进行相关研究。虽然光伏发电市场的发展空间很大，但目前为止光伏发电的市场规模还相对较小，故很难有多家大型企业去专门的研究和制造光伏逆变器。但我国也有一小部分的企业一直坚持不懈的在光伏发电技术上进行着研究，并有所突破。目前，国内光伏并网逆变器的市场主要被通过在中国建立合资企业的国外企业和国内品牌如KACO、太阳电力等瓜分。虽然我国光伏发电技术还处于落后阶段，但是考虑到售后问题，大多数的光伏发电产业和研究项目还是基本选择国内品牌产品，故国外的企业在本国光伏发电市场的占有率不高。而且我国光伏发电技术虽然与国外有一定的差距，但是在光伏逆变器方面却基本持平，故国外企业在这一方面缺乏了竞争力。

1.1.3.2 国外研究的现状

随着电能的普遍运用，一次能源的快速消耗，发达国家逐渐意识到可再生能源的重要性，同时也意识到发展运用可再生能源的技术的重要性，故美国日本等国都开始大力扶持国内光伏产业，在这些政策的帮助下，全球掀起一片研究光伏发电技术的热潮，而同样光伏并网逆变器的制造数量也在飞速增加。由于发达国家的预见性，发达国家光伏逆变器发展较好的企业都在全球光伏发电市场上占领着举足轻重的地位。甚至在一些光伏发电技术较为完善的地区已经形成了完善的光伏发电产品的制造产业链。在那几个发展较好的企业中有五家势力较大的占据了全球光伏逆变器的市场的百分之七十以上，其中最厉害的也是光伏逆变器研究的先驱者SMA不仅占德国光伏逆变器市场的一半以上，还占据全球光伏变电市场的44%。

1.2 本文的主要研究内容

本文在前人研究的基础上，查阅大量相关数据，对光伏并网发电系统的工作原理进行了深入探索。在此基础上，进一步研究了最大功率点跟踪技术，这一技术如果可以应用在光伏逆变器上可以提高不少的性能，除此之外还详细分析了全桥逆变电路的驱动情况。最后，利用MATLAB中的SIMLINK工具对其进行了仿真。主要工作如下：

（1）详细分析了光伏并网逆变器的拓扑结构和太阳能电池的输出特性。

（2）详细分析了IGBT功率管的工作特性。

（3）根据前面的分析开始设计基于IGBT的光伏并网逆变器的控制系统的硬件设计。

（4）在硬件设计的基础上进行基于IGBT光伏并网逆变器的控制系统的软件设计，并在MATLAB的SIMLINK中进行仿真。

第2章 光伏并网逆变器

2.1 光伏并网逆变器工作原理和分类

光伏发电系统结构图如图2.1所示。

光伏电池

光照

逆变器及其控制器

负载

计量及显示平台

图2.1 光伏发电系统结构图

光伏并网系统的存在是为了收集其他光伏发电装置产生的电能并转换成现实中所需的电流形式供给给公共的电网。由于光伏并网就像一个中介需要汇集五湖四海不同形式的电能，故其具有较大的综合性，所以其一般是集中式大型的发电站。如图2.1，显示平台、检测系统、计量并网逆变器以及光伏阵列式是并网发电系统的主要组成。其中光伏电池是能量转化器，把光能变换为电能，它的效率和稳定性基本可以等价系统的效率和稳定性。光伏并网逆变器分类如图2.2所示。

非隔离型

隔离型

光伏并网逆变器

工频

高频

单极

多级

图2.2 光伏并网逆变器分类

如图2.2所示，光伏并网逆变器按照是否有隔离变压器可以分为隔离型和非隔离型。工频隔离型如图2.3所示。

DC-AC

光伏阵列

图2.3 工频隔离型

光伏并网的典型拓扑结构是工频隔离。工频隔离是市场上应用最广泛的类型。该类型的特点就是抑制噪声强和防雷性能好，但与此同时也附带了不少缺点，尤其是电能转换过程需要用到变压器，就会增加系统体积，使整个系统显得很笨重。

非隔离型光伏并网逆变器可分为单极型和多极型。单级式光伏并网逆变器结构如图2.4所示。

DC-AC