独立光伏发电系统中逆变器方案的选择与设计.pdf

第 卷 年第 期 月.独立光伏发电系统中逆变器方案的选择与设计邱 燕(陕西国防工业职业技术学院 西安)摘 要:本文主要阐述了逆变器的方案选择及其控制实现 详细阐述了高频升压逆变器方案选择与构成的理论依据 在此基础上 对高频升压逆变器的电路与控制进行了设计 给出了逆变器控制流程关键词:光伏 发电系统 逆变器 设计中图分类号:文献标志码:文章编号:()():.:收稿日期:作者简介:邱 燕()女 副教授 硕士 研究方向为微电机控制 新能源技术 引 言太阳能电池板在阳光照射下 产生电压很低的直流电 即使是采用伏电池阵列 从工程易实现角度 一般也只能提供数十伏的电压 然而 我们日常接触的家用电器均为 交流电 目前 太阳能光伏发电系统的新的发展趋势之一是将多余电能向交流电网输送 这就需要将低压直流电能变换为较高压的交流电能 逆变器则是实施这种变换的核心 独立光伏发电系统中逆变器的方案选择 独立太阳能光伏发电系统的逆变器 有多种实现方案 但是 在方案选择以及工程实现过程中 首先应明确额定输出容量、输出电压及输出频率的稳定度、整机效率、启动性能和保护功能这些基本要求就输出波形类型而言 工频逆变选择正弦波逆变器方案 因为正弦波逆变器通过(正弦脉冲宽度调制)或(电压空间矢量脉宽调制)方法产生的输出波形如图 所示 正弦波逆变器 输出的是标准的正弦波交流电 不会给电网带来谐波污染图 正弦波逆变器的输出波形就逆变器的电源性质而言 选择电压型逆变器方案 因为电压型逆变器的直流侧为电压源性质一般直流侧并联容值较大的直流滤波电容 如图 所示 其逆变器的输出电压波形为矩形波(若是正弦波逆变器 输出波形则为宽度按照正弦规律变化的多个矩形脉冲)而输出电流波形则为正弦波 相对于电流型逆变器 电压型逆变器的输出电流为正弦波 并且逆变装置体积小、重量轻、易控制图 电压型逆变器 期邱 燕:独立光伏发电系统中逆变器方案的选择与设计就逆变系统的组成结构而言 选择高频升压式逆变器 从图 中可以看出 该系统相较于工频升压式逆变器系统组成相较复杂 多出了高频逆变和整流两部分电路 但是 其技术先进 隔离采用的是高频变压器 装置的体积、重量和噪音会明显减小 转换效率也比较高 可达 以上 因此对于独立光伏发电系统 这种方式的逆变器系统无疑具有很大选择优势图 高频升压式逆变器就逆变器的电路拓扑而言 高频逆变部分选择推挽式、工频逆变部分则选择全桥式电路的实现方案 这样选择的原因在于:推挽式逆变器的电路拓扑如图 所示 从图中可以看出 推挽式逆变器的电路并不复杂 而且相较于半桥逆变器电路拓扑 其输出得到的是输入的全部电压 直流电源的电压利用率高、容易输出较大的功率 并且输出波形较好 同时 由于其电路拓扑中两个开关管的源极连接在一起 是同电位 两个开关管又是交替互补方式工作的 开关管的驱动电路实现就变得相对很简单 与全桥逆变器相比 在输出得到同是输入的全部电压时 推挽式逆变器对于直流电源的电压利用率高、容易输出较大的功率 并且输出波形较好图 推挽电路拓扑对于工频逆变部分 由于面对的是高频变压器升压后的高压 故选择全桥式电路方案 其开关管在工作中只承受直流电源电压 例如 与 导通时 由电路不难看出 处于关断状态的 与 分别只承受直流电源电压 同样 与 导通时 处于关断状态的 与 分别也只承受直流电源电压图 全桥电路拓扑结构综上所述 逆变器实现方案选择确定为:高频逆变部分选择推挽式、工频逆变部分选择全桥式的电压型高频升压式正弦逆变器 高频升压式逆变器设计 逆变器的性能指标要求本文实验系统中 高频升压式逆变器的具体性能指标要求为输入电压:输出电压:持续输出功率:输出频率:高频升压式逆变电路高频逆变电路设计为推挽结构(、)工作频率为 高频逆变后经高频升压变压器 升压为约 的交流电 再通过桥式高频整流与滤波后 得到约 左右的高压直流电 最后的工频逆变部分则设计为全桥逆变电路(、)逆变为 /的交流电 供给交流负载使用如果需要与交流电网并网发电 只需输出与 的电网链接即可 当然 这种情况下还需要开发一定的安全并网设施与控制程序高频升压变压器采用的是高频磁芯材料 大大减小了逆变系统装置的体积与重量 使得逆变系统装置的功率密度得到很大提升图 高频升压逆变器原理图 逆变器的控制设计对于高频升压逆变器的推挽电路部分 由于该电路只需实施高频方波逆变 控制简单 但工作频率、时间要求高 故采用专门硬件控制板实施单独 卷控制工频逆变部分采用正弦波 调制技术 逆变器控制系统在高频时 三角波发生电路容易受温度、器件性能等因素干扰 从而导致输出电压中出现直流偏移、谐波含量增加、死区时间变化等不利影响 故采用单片机实施以改善输出波形的性能单片机采用 它是高速、低功耗、超强抗干扰的增强型 系列单片机 指令代码与传统的 完全兼容 但速度快 倍内部集成有 专用复位电路、路、路高速 位/转换(/)、路外部中断/口以及 个 位定时器 采用全双工异步串行通信 通过定时器或 文件实现还可实现多路通信 并且支持(系统可编程)与(应用可编程)无需专用编程器与仿真器 通过串口可直接下载用户程序 数秒即可完成 应用十分方便采用 的电源电路如图 所示图 单片机电源电路原理图 工频逆变器的正弦逆变输出 采用现今应用比较广泛、且较为成熟的正弦波 调制技术()调制原理如图 所示图 调制方法原理 的基本技术原理是 三角载波与希望输出的正弦调制波相比较 调制波幅值大于载波幅值时 产生使开关元件的导通控制信号 调制波幅值小于载波幅值时 产生使开关元件的关断控制信号由 的基本技术原理可以看出 控制信号在单片机中很容易产生 技术也比较成熟 在 中实现的 信号子程序流程在图 中给出整个逆变器的控制主程序流程如图()所示图()是 驱动信号的生成流程图 图()是在蓄电池未充满电的情况下调用的 算法流程 期邱 燕:独立光伏发电系统中逆变器方案的选择与设计图 软件控制程序流程图需要说明的是 本系统中的单片机 在对逆变器产生 控制信号的同时 还负责对蓄电池的电压电流进行采样 确定蓄电池的工作状态 因此当单片机工作时 首先要对蓄电池的电压电流进行采样 判断蓄电池是否需要进行充电 需要 则启用最大功率跟踪 程序 采用/变换电路对蓄电池进行充电 不需要 光伏电池阵列的直流母线或对直流负载供电 或与逆变器连接 单片机生成 信号 输入驱动控制模块实现逆变 向交流负载供电 当系统发生故障时 如蓄电池过热、过充、欠压等 则切断驱动信号 进行故障排除系统自动进行复位 结 语高频逆变部分选择推挽式、工频逆变部分选择全桥式的电压型高频升压式正弦逆变器中 高频升压变压器的高频磁芯材料有效减小了逆变系统装置的体积与重量 使得逆变系统装置的功率密度得到很大提升 逆变器采用单片机控制 减小了输出电压中出现的直流偏移、谐波含量增加和死区时间变化等不利影响 总体上为将太阳能光伏发电系统中的多余电能向交流电网输送提供了可行方案参考文献 范长城 王勇 檀涌.基于太阳能电池板的直流不间断电源设计.电源技术应用():.尹忠东.高压直流供电系统推广应用所涉及的关键技术.电气应用():.蒋群.应用于直流微网系统的移相控制 变换器.浙江:浙江大学:.黄凯 王斌.空间矢量 控制的三相逆变器的仿真模型.三峡大学学报(自然科学版)():.赵玲霞 盛海龙.小型风力发电系统正弦波逆变器的设计与实现.工业仪表与自动化装置():.郑连清 黄金波.三相高频链矩阵式逆变器的 混合调制策略研究.华北电力大学学报(自然科学版)():.高文 肖海峰 乔社娟 等 一种直流高压电源的设计实现.自动化与仪表():.王效顺 黄惠军 孙静 等 推挽逆变器开关吸收电路研究.电气传动():.屈艾文 陈道炼.重复控制三相电压型准 源光伏并网逆变系统.电网技术():.林东栋.高频隔离式并网逆变器的研制.合肥:合肥工业大学:.贺小龙 孙慧宇.基于 芯片的风力摆控制系统设计.电子世界():.刘华勇.光伏功率预测基本技术原理及关键问题.时代农机():.王朕 史贤俊 张文广.基于 /光伏逆变电源的设计.船电技术 ():.