光伏發電逆變電路的設計與研究

0   引言

近幾年來，光伏發電作為一種重要形式在太陽能利用方面于世界得到了迅速的發展^[1]，隨著不斷的研究，我國新能源光伏發電企業規模不斷增多，新能源光伏發電逆變器的需求猛增。因此，高性能逆變器是光伏發電系統技術開發人員重點關注的問題，提高逆變器的轉換效率對于日常節能很重要^[2]，光伏發電系統中使用的元器件是新能源技術、電力電子、單片機控制等多種技術有機結合的產物。

隨著全球能源問題的不斷加劇以及電力電子技術的不斷發展，大功率光伏逆變器作為經濟高效的綠色可再生能源器件得到了廣泛應用，普遍使用的IGBT。IGCT等開關器件的容量等級也在不斷提高。為了進行可靠的電能轉換，其開通與關斷必須安全可靠，這是逆變器系統穩定運行的先決條件^[3-6]。

伴隨著調制的操作，直流母線中的電壓會發生范圍的變化，導致開關管需要承受更大的電壓應力。此外，升壓電感電流會由于占空比呈現正弦規律變化，產生較為明顯的低頻波紋分量，運行過程中會產生電流應力，導致通態消耗尤為嚴重^[7]。 而現在，伴隨越來越多的分布式電源接入配電網，電能質量成為了一個大問題^[8]。

為了有效利用分布式電源并滿足標準電能質量要求，多功能逆變器受到廣泛關注。光伏等分布式能源得到了前所未有的發展^[8-9]。

目前我們已知的有3 種技術路線來解決效率問題：

①采用軟開關技術以及多電平電氣拓撲；

②采用空間矢量脈寬調制等控制方式來降低其損耗；

③采用碳化硅材料的元器件，降低器件的內阻。

為解決上述問題，我們采用keil5以及MATLAB對光伏發電逆變電路的仿真，以證明其可行性。

1   基本原理和設計思路

1.1 基本原理

通過直流濾波電路，把光伏電路產生的直流電去除電磁干擾和電流波動，然后通入逆變電路，直流電通過逆變后轉換為交流電，之后通過整流將不規則的交流電整流為正弦波交流電，由輸出端的濾波電路濾除逆變過程產生的高頻干擾信號，最后供應負載或是并入電網。

圖1 工作原理圖

1.2 逆變器的損耗

逆變器的損耗、影響因素以及采取措施如表1 所示。

表1 器件損耗

以IGBT( 絕緣柵雙極型晶體管）為代表的功率器件是新能源車芯片價值量最高的。光伏逆變器，新能源車都大量使用IGBT。隨著光伏裝機量的持續增長，以及新能源車滲透率的提升，IGBT 行業持續發展迅速。

1.3 設計思路

首先通過定時器使51 單片機系統生成SPWM 調制控制信號，然后通過IR2110 驅動電路來控制逆變電路中IGBT 器件的開通和關斷，將直流電逆變成交流電，最終采用LC 低通濾波器消除DC-AC 的變換過程中存在的多次諧波的問題。

單相全橋逆變電路又被稱為“H 橋”電路，其構成為四個功率開關關以及驅動輔助電路，在工作過程中，Q2與Q3通斷互補，Q1和Q4通斷互補。H 橋逆變電路的原理圖與其輸出電壓波形如圖2所示。

圖2 H橋逆變電路與其輸出電壓波形

2   系統硬件設計

2.1 IR2110電路

在功率變換裝置中，根據主電路的結構，起功率開關器件一般采用隔離驅動和直接驅動兩種方式。兼有電磁隔離和光耦隔離的優點，在中小功率變換裝置中驅動器件是最優選。

圖3 IR2110內部功能圖

IR2110 內部功能由輸出到輸入由3 部分組成：輸出保護，電平平移及邏輯輸入。IR2110 有很多特點，比如說可以極大地減少驅動電源的數目，一組電源即可實現對上下端的控制，為裝置的設計帶來很多方便。

2.2 LC濾波電路的設計

圖4 濾波電路

LC 濾波器具有運行可靠性較高、運行費用較低等優點、結構簡單，應用很廣泛。其直流損耗小，電感的電阻小。對交流電的濾波效果好，感抗大。LC 濾波電路如圖4 所示。

輸出濾波電容的容量為：

輸出濾波電感量為：

2.3 PWM控制基本原理

用示波器測試單片機產生的SPWM 信號以及其波形。

由于對開關器件通斷控制的規律不同，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制如表2所示，它們的輸出波形也有很大的區別，如圖5和圖6。

表2 單極性spwm與雙極性spwm的特點

圖6 雙極性PWM波形

圖5 單極性PWM波形

2.5 逆變電路原理圖

逆變電路的工作原理是：首先逆變電路是由直流電轉換為交流電的過程，濾波電路濾除不需要的信號。原理圖如圖7所示。

3   系統軟件設計

3.1 產生PWM信號流程

定時器原理：這種方法的基本原理是使引腳產生一個低電平，對T₁ 或T₀ 設置計數初始值并運行，使之經過時間t₁ 后產生定時中斷；在中斷服務函數中將引腳設置為高電平，對定時器/ 計數器設置另一個計數初始值，經過時間t₂ 后產生中斷，在中斷服務函數中將引腳設置為低電平，對定時器/ 計數器設置低電平維持所需的計數初始值，如此循環往復，就產生一個高電平時間為t₂、周期為（t₁+t₂）的矩形波。

3.2 中斷程序代碼

依據定時器的原理，在keil5 軟件中通過C 語言編寫代碼，其中部分波形中斷和顯示波形的代碼如下：

#include“reg52.h”

typedef unsigned char uchar;

sbit P1_0=P1^0;

uchar time=0;

uchar period=25;

uchar high=5;

void timer0() interrupt 1 using 1

{

TR0=0x3c;/* 定時器初值重裝載*/

TL0=0xb0;

time++;

if(time==high)

{P1_0=0;}

else if(time==period)/* 周期時間到，變高*/

time=0;

P1_0=1;

}

}

void main()

{

TMOD=0x01; /* 定時器0 方式1*/

TR0=0x3c; /* 定時器裝載初值*/

TL0=0xb0;

EA=1; /* 開CPU 中斷*/

ET0=1; /* 開定時器0 中斷*/

TR0=1; /* 啟動定時器*/

while(1) /* 等待中斷*/

{}

}

圖8 中斷流程圖

4   仿真測試與結果

4.1 程序設計以及示波器輸出波形展示

用I/O 口采用軟件定時器中斷可以模擬PWM 輸出。我們使用 keil5 或者keil4 軟件來編程燒入單片機，通過單片機中的定時器來產生晶振，在P1.0 引腳上輸出周期為2.5 s，占空比為20% 的脈沖信號。如圖9 所示。圖9 展示的為程序燒入51 單片機開發板后，用示波器測試的P1.0 口的輸出波形，可明顯看出輸出方波的占空比是20％。

圖9 產生脈沖圖

4.2 仿真模型的搭建

首先由控制信號推動功率管（不斷開關) 使高頻變壓器產生低壓的高頻交流電。然后通過高頻變壓器輸出高頻交流電，再然后經過快速地恢復二極管全橋整流輸出一個高頻的幾百伏特的直流電到后級功率管，最后由后級產生輸出電壓，MATLAB仿真模型搭建如圖10。

圖10 MATLAB仿真圖

4.3 系統調試使用的儀器設備

我們所使用的設備如表3所示。

表3 儀器設備

4.5 輸出電流與電壓的波形

輸出波形如圖11所示。

圖11 輸出波形圖

4.6 輸入輸出電壓表

輸出交流電的頻率可以通過改變觸發脈沖控制信號來改變，如圖表4 所示。

表4  測試數據   （V）

5   結束語

本課題由單片機、逆變電路、IR2110 驅動電路、LC濾波電路等組成的新能源光伏發電逆變電源基本實現了光能產生的直流向交流的轉換。此外，在研究課題的過程中，我們還使用了MATLAB 中的simulink 仿真，將程序燒入單片機，通過示波器測試某一端口的輸出波形，另外還有PROTEUS 仿真，這些工具讓我們想法得到及時的試驗與調整。在做simulink 仿真時我們發現，當輸入電壓比較小時，逆變后得到的交流電平均幅值達不到我們所設定的2倍的關系，而當輸入直流電壓逐步上升后，輸出交流電壓幅值趨向于2倍的關系。我們還做了一些其他的仿真實驗，但是由于制作實物時間，專業水平以及實驗環境的影響，我們沒有完成完整的實體電路，多電平供電沒有應用充分，這些方面內容還有待完善。

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（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年12月期）