基于三電平逆變器的光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示裝置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 義 馬 驥 張 斌 王 聰

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083

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基于三電平逆變器的光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示裝置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 義 馬 驥 張 斌 王 聰

中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083

摘 要：討論了一種用于輔助電力電子技術(shù)理論教學(xué)的光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)演示裝置的研制，重點(diǎn)分析了中點(diǎn)鉗位三電平光伏逆變器的設(shè)計(jì)。該逆變電路通過SPWM控制方法，將直流電壓轉(zhuǎn)換成負(fù)載所需的交流電壓，具有諧波少、效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)。基于光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)演示裝置通過模塊化的形式，將光伏發(fā)電的過程清晰地呈現(xiàn)出來，同時(shí)通過改變光伏板的傾斜程度可以完成各種演示實(shí)驗(yàn)，使理論教學(xué)過程更直觀，更富有活力。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)裝置；逆變器；工作原理

隨著世界能源的逐漸枯竭，太陽能的應(yīng)用越來越廣泛，太陽能光伏發(fā)電也成為一個(gè)熱門話題，各大高校也相繼開設(shè)了新能源方面的課程，但是由于太陽能發(fā)電裝置中太陽能板價(jià)格昂貴以及架設(shè)地點(diǎn)的特殊，使得教學(xué)過程還僅限于理論教學(xué)，學(xué)生只能根據(jù)課本等資料想象，為教學(xué)帶來諸多不便，為了讓學(xué)生更直觀清晰地了解光伏發(fā)電的過程，用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)演示裝置被提出并投入研究。

1 光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料的表面光伏效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，然后通過DC/DC變換和逆變等過程，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。圖1為實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)圖，該裝置主要由光伏板、逆變器、蓄電池、燈泡等構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能到電能的轉(zhuǎn)換，并能將所得的電能變換處理直接用于燈泡供電；裝置中還添加了相應(yīng)的儲(chǔ)能裝置，將多余的電能存儲(chǔ)起來，用于夜間或沒有太陽時(shí)供給負(fù)載，保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)整個(gè)裝置可以順利運(yùn)行。接下來分別介紹各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)及原理，由于整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，逆變器是其核心器件，保證太陽能板轉(zhuǎn)化的電能能夠并入電網(wǎng)，使燈泡正常工作，所以將重點(diǎn)介紹逆變部分，包括它的工作原理，控制方法和實(shí)驗(yàn)波形。

圖1 光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)圖

2 實(shí)驗(yàn)演示裝置研究

2.1 光伏板和MPPT控制器

為了使光伏陣列產(chǎn)生的電能更簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換到負(fù)載額定電壓范圍內(nèi)，同時(shí)降低太陽能板的成本，選擇功率60 W，開路電壓17.5 V，開路電流3.43 A，峰值電壓21.3 V，峰值電流3.74 A的光伏板。

為了提高太陽能電池組件的利用率，實(shí)驗(yàn)裝置中加入最大功率點(diǎn)跟蹤裝置，該裝置通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽能板的發(fā)電電壓，計(jì)算出光伏陣列的輸出功率，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓電流最大值的跟蹤，使工作效率大大提高。

2.2 DC/DC變換電路設(shè)計(jì)

由于升壓電路需要將12 V電壓升到100 V，升壓比比較大，所以實(shí)驗(yàn)裝置中升壓部分采用了交錯(cuò)并聯(lián)boost電路，該電路可以將實(shí)驗(yàn)裝置中蓄電池的較低電壓提升到足夠高的程度；從而滿足后級(jí)逆變器的并網(wǎng)要求。

圖2為升壓電路電路圖。與普通的boost電路相比，交錯(cuò)并聯(lián)boost電路不僅升壓比大，工作效率高，避免了大電感的使用，使得電壓變換部分體積小且可靠性提高，同時(shí)還降低了輸入電流的波紋［1，2］。為了使得到的電壓更穩(wěn)定，boost電路中開關(guān)管的通斷用閉環(huán)控制電路實(shí)現(xiàn)。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)boost電路圖

交錯(cuò)并聯(lián)boost電路在一個(gè)工作過程周期中有4種狀態(tài)。

狀態(tài)1：V1，V2都導(dǎo)通時(shí)，電感L1，L2存儲(chǔ)能量，電容C1，C2無能量流動(dòng)。

狀態(tài)2：V1導(dǎo)通，V2關(guān)斷，電感L1存儲(chǔ)能量，L2釋放能量，電容C1充電，C2放電。

狀態(tài)3：V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，電感L1釋放能量，L2存儲(chǔ)能量，電容C1放電，C2充電。

狀態(tài)4：V1關(guān)斷，V2導(dǎo)通，電感L1通過電容C1和二極管D1續(xù)流，L2通過電容C2和二極管D2續(xù)流，電容C1，C2放電。

2.3 逆變器工作原理

逆變部分采用三電平逆變器，具有開關(guān)損耗小、電磁干擾小、光伏陣列對(duì)地雜散電容上無共模漏電流、所需濾波電感小等優(yōu)點(diǎn)，三電平逆變器開關(guān)器件所承受的電壓僅為直流側(cè)電壓的一半，因此低耐壓的器件也可以實(shí)現(xiàn)高壓，高功率的傳輸。

圖3為逆變器的原理圖，忽略開關(guān)器件的正向?qū)▔航担鶕?jù)開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷情況得到3種輸出狀態(tài)［3-7］：“P”狀態(tài)，V1，V2導(dǎo)通，V3，V4關(guān)斷；“O”狀態(tài)，V2，V3導(dǎo)通，V1，V4關(guān)斷；“N”狀態(tài)，V3，V4導(dǎo)通，V1，V2關(guān)斷。

圖3 三電平逆變器原理圖

“P”狀態(tài)：當(dāng)V1，V2導(dǎo)通時(shí)，若電流從逆變器電路正向流入負(fù)載，即電流從A點(diǎn)流經(jīng)V1，V2到負(fù)載，此時(shí)U點(diǎn)和O點(diǎn)間的電位差為Ud/2；若電流從負(fù)載反向流入逆變器，則電流流過與主開關(guān)反向并聯(lián)的二極管并對(duì)電容C1充電，但U點(diǎn)和O點(diǎn)間的電位差仍為Ud/2。

“N”狀態(tài)：當(dāng)V3，V4導(dǎo)通時(shí)，若電流從逆變器電路正向流入負(fù)載，即電流經(jīng)過V1，V2流回B點(diǎn)，此時(shí)U點(diǎn)和O點(diǎn)間的電位差為-Ud/2；若電流從負(fù)載反向流入逆變器，則電流流過與主開關(guān)反向并聯(lián)的二極管并對(duì)電容C2充電，U點(diǎn)和O點(diǎn)間的電位差仍為Ud/2。

“O”狀態(tài)：當(dāng)V2，V3導(dǎo)通時(shí)，U點(diǎn)和O點(diǎn)間的電位差為0，實(shí)際上V2，V3并未同時(shí)導(dǎo)通，當(dāng)電流方向?yàn)檎驎r(shí)，電流從O點(diǎn)依次流過D1和V2，當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，電流則通過V3和D2流回O點(diǎn)。即通過D1 和D2的導(dǎo)通將U點(diǎn)的電位鉗位在0電位上。為保證三種狀態(tài)的正常工作，降低中點(diǎn)波動(dòng)，減小兩個(gè)電容間的壓差，C1，C2必須相等。

在工作過程中，V1和V3的通斷狀態(tài)是互補(bǔ)的，V2和V4的通斷狀態(tài)是互補(bǔ)的，控制過程簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但是為了避免V1，V4同時(shí)導(dǎo)通而發(fā)生短路，開關(guān)器件的通斷轉(zhuǎn)換必須遵從先斷后通的原則，為此在兩個(gè)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間上設(shè)置了一小段死區(qū)，保證電路的安全性。同時(shí)為了能夠得到相對(duì)穩(wěn)定的正弦輸出電壓，將逆變所得的正弦信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，用標(biāo)準(zhǔn)正弦波（50 Hz，0.8 V）與檢測(cè)所得波形相減，再經(jīng)過比例放大作為調(diào)制信號(hào)，以50 kHz的三角波作為載波，在兩者的交點(diǎn)時(shí)刻控制開關(guān)器件的通斷。通過簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制，可以使電路能夠及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整方波的占空比，提高電路的抗擾性能；電路通過負(fù)反饋過程消除實(shí)際輸出與要求輸出之間的差值，使所得的波形更精準(zhǔn)。

三電平逆變器的主要特點(diǎn)是由不同層次的電平合成正弦波，在同樣的開關(guān)頻率下，和傳統(tǒng)的兩電平相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更多階次的電平，因此輸出波形更接近正弦波。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

升壓所得的100 V電壓，經(jīng)過逆變器逆變后得正弦波，圖4為仿真所得電流電壓波形，圖5為示波器顯示實(shí)物電壓波形。

圖4 電流電壓仿真波形

圖5 示波器電壓波形

圖6為實(shí)驗(yàn)演示裝置。各模塊以一個(gè)網(wǎng)格架為支撐搭建連接成一個(gè)整體，太陽能光伏板能夠自由變換角度，實(shí)現(xiàn)了入射角的可變；在支架下安裝萬向輪，便于整個(gè)實(shí)驗(yàn)演示裝置的移動(dòng)；裝置采用模塊化技術(shù)，使得學(xué)生能夠更透徹地了解光伏發(fā)電過程中各部分的原理和作用。

以中國礦業(yè)大學(xué)（北京）為試點(diǎn)投入使用，在教學(xué)過程中讓學(xué)生自己動(dòng)手操作，結(jié)合教學(xué)討論，課堂氛圍相對(duì)純理論教學(xué)更活躍，整個(gè)學(xué)習(xí)過程不僅提高了學(xué)生的積極性，還增強(qiáng)了他們的求知欲；通過一段時(shí)間的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和課后調(diào)查，學(xué)生在使用教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置后，對(duì)光伏發(fā)電有了更直觀清晰的了解，同時(shí)對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握更牢固，有些學(xué)生還對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)生了極大的興趣，該裝置在教學(xué)應(yīng)用中起到的積極作用可見一斑。

圖6 實(shí)驗(yàn)演示裝置

4 結(jié)束語

本文介紹了三電平逆變器的工作過程和控制方法，通過仿真和反復(fù)測(cè)試，驗(yàn)證了中點(diǎn)鉗位三電平逆變器能夠很好地實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，以此為基礎(chǔ)研究制作的光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)演示裝置也達(dá)到了預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了電能的儲(chǔ)存，轉(zhuǎn)換以及并網(wǎng)應(yīng)用，使新能源教學(xué)從理論到實(shí)踐成為可能。通過試點(diǎn)推廣和走訪調(diào)查，驗(yàn)證了該實(shí)驗(yàn)裝置的可行性和在教學(xué)過程中起到的積極作用，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)效果。

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實(shí)驗(yàn)室與實(shí)訓(xùn)基地建設(shè)

Research on Experimental Demonstration Device of Photovoltaic System Based on Three Level Inverter

Guo Siwen， Ren Jiamin， Duan Yingjuan， Wang Yi， Ma Ji， Zhang Bin， Wang Cong
School of Mechanical Electronic & Engineering， China Univercity of Mining & Technology（Beijing）， Beijing， 100083， China

Abstract:This paper discusses the development of an experimental demonstration device for the power electronic technology theory teaching，focusing on the design of the neutral point clamped three level photovoltaic inverter. The inverter circuit through the SPWM control method，the DC voltage is converted into the AC voltage required to load， with a series of advantages of low harmonic and high effciency. Based on the discussion of photovoltaic power generation experimental demonstration device through the modular form， the process of photovoltaic power generation is clear， and the degree of tilt of the PV panels can be completed by various experiments， the theory teaching process is more intuitive， more dynamic.

Key words:experimental device； inverter； working principle

收稿日期：2015-11-16

作者簡(jiǎn)介：郭思雯，在讀本科生。任家敏，博士，教授。