任务名称
2023年_A题:单相逆变器并联运行系统
任务要求
难度

一、任务

设计并制作由2个单相逆变器组成的并联系统,系统框图如图1所示,逆变器并联后可为电阻负载RL供电,也可通过变压器T并入220V电网。

图1 单相逆变器并联示意图

二、要求

  1. 基本要求
    (1)断开 S2,闭合 S1,仅用逆变器 1 向 RL 供电。输出电压有效值 Uo 为24V±0.2V,频率 fo为 50Hz±0.2Hz 时,输出电流有效值 Io为 2A。
    (2)在基本要求(1)的工作条件下,输出交流电压总谐波畸变率(THD)不大于 2%。
    (3)在基本要求(1)的工作条件下,逆变器 1 的效率 ƞ 不低于 88%。
    (4)断开 S2,闭合 S1,仅用逆变器 1 向负载供电,Io 在 0A~2A 间变化时,负载调整率 SI1≤0.2%。
  2. 发挥部分
    (1)断开 S2,闭合 S1,逆变器 1 和逆变器 2 并联,共同向 RL供电,Uo=24V,fo=50Hz 时,Io=4A。
    (2)断开 S1,闭合 S2,逆变器 1 与逆变器 2 并联且能并网,能在 2A~4A 范围内按数字设定输出电流 Io,其误差绝对值应小于设定值的 6%。
    (3)断开S1,闭合S2,逆变器1与逆变器2并联且并网,Io在1A~3A间变化时,逆变器1及逆变器2的输出电流比值K=Io1: Io2可在指定范围(0.5~2)内按数字设定自动分配,其相对误差的绝对值不大于5%。
    (4)其他。

三、说明

(1)制作时须考虑测试方便,合理设置测试点,测试过程中不得重新接线。
(2)可使用功率分析仪等测试逆变器的效率、THD 等。
(3)逆变器 1(含直流辅助电源)仅由直流电源 1 供电,逆变器 2(含直流辅助电源)仅由直流电源 2 供电。进行基本要求(3)测试时,直流辅助电源的耗能应计入效率 ƞ 计算中。
(4)本题定义:1)负载调整率 SI1=|𝑈o2−𝑈o1/Uo1|,其中 Uo1 为 Io=0A 时的输出电压,Uo2 为 Io=2A 时的输出电压;2)逆变器 1 的效率 ƞ 为逆变器 1 输出功率除以直流电源 1 的输出功率。
(5)进行基本要求(1)(3)(4)测试时,Io应达到 2A,低于 1.8A 不得分;进行发挥部分(1)测试时,Io应达到 4A,低于 3.8A 时,该电流项目不得分。
(6)发挥部分(3)中的相对误差绝对值 δ = |(𝐾设定−𝐾实测)/𝐾设定 |,其中 K设定为设定的数值,K实测为实测出的数值。
(7)逆变器 1 与逆变器 2 各自独立,不得共用一个控制器。
(8)本题的直流电源 1 和直流电源 2 自备。
(9)逆变器并网时,应满足并网条件,确保人员及设备安全。

 

评审标准

参考答案

GPT-4o给出的设计方案:


系统概述

本系统包括两个直流电源、两个单相逆变器和一个变压器。逆变器并联后可以为电阻负载供电,同时通过变压器并入220V交流电网。系统还包含一组选择开关(S1和S2)用于切换不同的工作模式。

一、硬件设计

  1. 直流电源
    • 直流电源1:提供稳定的直流电压,可以是太阳能电池板、直流电池组或其他直流电源,输出电压应满足逆变器1的输入要求。
    • 直流电源2:与直流电源1类似,需要为逆变器2提供稳定的直流电压。
  2. 逆变器
    • 逆变器1:直流电压转换为交流电压,能够提供Uo = 24V±0.2V,有效电流Io = 2A,频率为50Hz ± 0.2Hz,符合THD小于2%的要求。
    • 逆变器2:与逆变器1类似,需要同样能够提供稳定的交流输出。
  3. 变压器
    • 变压器:将逆变器输出的24V交流电压转换为220V交流电压,使系统并入电网。
  4. 选择开关
    • S1和S2:用于切换不同的工作模式,确保系统在不同时负载条件下能够稳定运行。

二、控制与保护电路

  1. 控制电路:通过微控制器或数字信号处理器(DSP)实现,对逆变器进行控制和监测,以实现并联操作的协调配合。
  2. 保护电路:包括过流保护、电压保护、短路保护等,保障系统稳定和安全运行。

三、软件部分

  1. 控制算法
    • SPWM(正弦脉宽调制):用于逆变器输出的交流波形控制,确保输出电压的正弦波形和频率稳定。
    • 并联控制算法:用于多个逆变器输出电流的均衡控制,防止某一个逆变器过载。常用的方法有交错并联控制、下垂控制等。
  2. 状态监测与反馈
    • 实时监测系统的输出电压、电流和负载状态,通过反馈调节逆变器的输出,确保系统的稳定运行。

四、实验验证

根据设计要求进行一系列实验验证:

  1. 基本要求验证:断开S2,仅含逆变器1,测试在不同负载条件下的输出电压、电流和频率。
  2. 并联操作验证:接通S2,监测并联运行时各项指标,确保各项控制策略的有效性。

五、设计总结与优化

  • 在实际应用中需要考虑系统的散热、效率和电磁兼容性(EMC)等问题,通过合理的设计和优化,提高系统的稳定性和可靠性。

六、备注

  1. 确保选择合适的元器件,如IGBT/MOSFET、滤波电容、电感等,以确保系统的性能和可靠性。
  2. 根据实际应用需要,可以加入更多的功能模块,比如通信接口、人机界面等。

根据以上方案,可以实现满足题目要求的单相逆变器并联系统。

 


 

本题考察的知识点

1. 逆变器基本原理与设计

  • 逆变器基础:理解直流电转交流电的基本原理,逆变器的结构与工作方式。
  • 波形控制:掌握正弦脉宽调制(SPWM)等控制技术,用于控制逆变器输出的交流波形。
  • 输出参数:设计逆变器输出电压、电流和频率,并确保其符合给定的技术指标(如THD、效率等)。

2. 并联运行

  • 并联网技术:掌握并联逆变器的均流技术和控制算法,例如交错并联控制、下垂特性控制等。
  • 负载分配:确保并联逆变器能够均匀分配负载,防止单个逆变器过载。

3. 变压器的使用

  • 电压变换:理解变压器在逆变器系统中的作用,通过变压器实现电压的转换,使得系统能够并入标准电网。
  • 匹配:设计变压器参数以匹配逆变器的输出和电网输入。

4. 电源控制与选择开关

  • 选择开关的配置:设计负载切换和逆变器选择开关(S1和S2)的接线和控制,确保系统在不同工作模式下的稳定性。
  • 逻辑控制:实现控制逻辑,在不同的操作模式下正确切换逆变器和负载。

5. 电气保护与监测

  • 保护电路:设计和实现系统的过流保护、电压保护和短路保护,确保系统的安全运行。
  • 监控与反馈:利用微控制器/数字信号处理器进行实时监测和反馈控制,确保系统参数在允许范围内运行。

6. 实验验证与调试

  • 实验设计:根据设计要求进行实验验证,测试逆变器在不同负载条件下的性能。
  • 调试与优化:通过实验数据反馈,优化硬件电路和控制算法,以提高系统的可靠性与稳定性。

7. 系统集成与调试

  • 系统集成:整合直流电源、逆变器、变压器和控制电路,实现完整的系统功能。
  • 调试:进行系统的整体调试,确保各模块之间协调工作,并满足整体设计要求。

这些知识点涵盖了从基本原理到实际设计与验证的全过程,考察了综合运用电力电子技术、控制技术和电气工程的能力。

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