小型離網光伏發電系統中逆變器的設計與仿真

摘 要：本文針對光伏發電系統中的核心環節-光伏逆變器進行了設計，分析了其拓撲結構與數學模型，其主電路由BOOST升壓電路與單相全橋逆變電路組成，控制電路采用TMS320LF2812型DSP作為控制器件，采用PI+復合的控制算法，最后通過MATLAB/SIMULINK仿真驗證了設計的合理性。

關鍵詞：離網逆變器；光伏陣列；BOOST升壓電路；重復控制

引言

目前，能源緊缺已成為我國乃至整個世界經濟發展所面臨的一個重要問題，而太陽能由于安全、可靠、環保、可持續利用的特點，越來越多的被人們廣泛的開發利用，太陽能光伏發電系統已經成為目前各國研究設計的一個重要內容，本文以小型離網光伏發電系統中的逆變器為研究對象，對其展開設計分析。

1 逆變器的設計

1.1 小型離網光伏逆變器結構的設計

小型離網光伏發電系統由光伏陣列、蓄電池組、光伏控制器、光伏逆變器、交直流負載等幾部分組成，其基本結構如圖1所示。白天，光伏陣列將太陽能轉化為電能，在光伏控制器控制下，為交直流負載提供電能，并為蓄電池充電；夜晚，蓄電池儲存的電經光伏控制器為交直流負載供電[1]。

其中光伏逆變器將光伏陣列或蓄電池出來的直流電轉化為交流電，是整個光伏發電系統的核心設備。逆變器結構由輸入電路、逆變電路、輸出濾波電路、控制電路、保護電路和輔助電源等組成，如圖2所示。

其中輸入電路將光伏陣列或蓄電池出來的直流電整形濾波，小型離網光伏系統的逆變器常采用單相逆變器，逆變電路將直流電轉變為單相交流電，如果采用開環控制，輸出量不用反饋到控制電路，而如果采用閉環控制，輸出量還要反饋到控制電路。控制電路的功能是按要求產生并調節一系列的控制脈沖來控制逆變開關管的導通和關斷，從而配合逆變主電路完成逆變功能。輔助電源的功能是為控制電路提供直流工作電壓。保護電路主要實現過壓保護、欠壓保護、過負荷保護、短路保護等。

1.2 小型離網光伏逆變器主電路的設計

考慮到采用變壓器的逆變電路中變壓器的能耗問題，拓撲結構采用了無變壓器的逆變電路，其結構如圖3所示，由蓄電池或光伏陣列出來的直流電經過直流升壓后，再經過逆變濾波，轉化為負載可以直接利用的交流電。

單相逆變器一般有三種結構形式：推挽式、半橋式、全橋式，其中推挽式電路中的開關管需要承受兩倍的直流電壓，選擇開關管相對困難，且變壓器的利用相率較低，一定程度上降低了整個逆變系統的效率；半橋式電路要想得到與推挽、全橋同樣的功率，開關管需要承受兩倍電流。全橋式逆變電路克服了以上兩種結構的缺點，其開關管的穩態工作電壓等于直流輸入電壓，同樣功率下，開關管的電流比半橋式小了一半，所以在此采用全橋逆變的結構形式。

逆變主電路包含兩部分，DC-DC升壓部分[3]和單相全橋逆變部分，如圖4所示。

1.3 小型離網光伏逆變器控制電路與算法的設計

逆變器控制電路的結構采用電壓反饋型閉環控制，電壓轉換電路通過霍爾電壓傳感器CHV-50P實現，采樣及調理電路如圖5所示，對輸出瞬時電壓通過采樣調理電路采樣后，送入控制模塊，控制模塊采用TMS320LF2812型DSP。DSP的A/D輸入范圍為：0～3.3V，所以需要調理電路將交流信號轉變為A/D口能接受的電壓范圍。在前級經過電壓傳感器和低通濾波器后。經調理電路后輸出電壓為在輸入值的基礎上疊加了一個1.65V的電壓。從而使輸入到A/D口的電壓信號滿足輸入要求[4]。

DSP芯片的處理方式為：將采樣電壓與參考電壓比較的差值電壓經過控制算法得出相應的調制波，與三相載波比較，產生占空比可調的脈沖信號（PWM信號）來驅動開關管，從而使得逆變輸出電壓跟隨參考電壓的大小。由于DSP控制單元輸出的PWM波的幅值為3.3V，無法直接驅動主功率管，本文采用HCPL3120光電隔離器組成的驅動電路，如圖6所示。

光伏逆變器可以看作是一個以正弦信號為參考信號的隨動系統，影響其輸出波形的主要原因有死區效應及非線性負載，為了提高系統的動態特性，并消除穩態跟隨誤差，這里采用PI+復合的控制算法[2]，結構如圖7所示。

2 小型離網光伏逆變器的仿真實現

仿真結構如圖9所示，其中，上面第一個是輸出電壓的波形與參考電壓輸入波形，第二個是輸出電流波形，第三個是輸出電壓諧波畸變率的波形，諧波畸變率[5]為2.7%。由仿真結果可見，該系統中輸出電壓能夠快速準確地跟隨參考電壓的變化，具備較快的動態特性及穩態特性。

3 結束語

本文設計了基于DSP控制的小型離網光伏發電系統的結構，并針對PI+復合控制算法進行了仿真分析，通過仿真驗證了系統及控制方法的可行性。

參考文獻

[1]周雪松，等.光伏并網逆變器的控制策略[J].華東電力，2010，38（1）：80：83.

[2]賁冰.基于重復控制的逆變器復合控制研究[D].秦皇島：燕山大學，2007.

[3]V.M.Pacheco.L.C.Freitas.J.B.Viera，etc.A DC-DC Converter Adequate forAlternative Supply System Applications.IEEE APEC.2002：1074-1080

[4]Y. M. Chen，Y C.Liu，F.Y Wu.Multi-Input Converter with Power Factor Correction and Maximum Power Point Tracking Features.IEEE PESC，2002：490-496.

[5]王兆安，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社.1998：17-19.