太陽能逆變器的設計

鄧榮萍

太陽能逆變器的設計

鄧榮萍

本文根據逆變器結構以及光伏發電陣列特點，首先提出基于DC/DC和DC/AC兩級并網逆變器的結構，在設計中分別對兩部分電路進行詳細的分析和設計。在DC/DC變換器中，通過MPPT控制技術，采用BOOST升壓電路對太陽能光伏陣列輸出電壓進行升壓，并通過MATLAB進行仿真分析。

太陽能 逆變器

一、太陽能逆變器結構和原理

（一）并網系統結構分析

采用太陽能兩級并網逆變器的結構在整個設計中，采用DC-DC變換器和DC-AC逆變器的兩級轉換，第一級DC-DC變換器，由MPPT控制Boost升壓電路對太陽能電池的輸出電壓進行調控，最后達到最大功率跟蹤控制的目的，并且將輸入的直流電壓等級升高。第二級DC-AC轉換器，采用全橋逆變器。逆變器經過PWM調制，將高壓直流轉變為用戶所需要的恒頻恒壓交流電。DC-DC變換器和DC-AC逆變器兩級的控制目標和方法互不干預，整體控制比較簡單。

（二）太陽能光伏電池

太陽能必須依靠能量轉換裝置才可以轉換成電能，將光能轉換為電能的能量轉換裝置即太陽能光伏電池。太陽能電池的基本原理是半導體PN結的光生伏打效應。該效應指在有陽光照射的情況下，物體內的電荷移動而產生的電動勢和電流的一種效應。如果有陽光照射半導體PN結，那么PN結的兩邊就產生電壓，稱該電壓為光生電壓，使PN結短路則產生電流。

（三）DC-DC變換器工作原理

DC-DC變換器電路包括以下6種：Buck降壓、Boost升壓、Buck-Boost升降壓、Cuk、Sepic和Zeta變換器。在交流電路中，電源電壓周期性地經過零，并且變換為相反方向，所以可以采用半控制型開關晶閘管，通過脈沖的相位控制晶閘管開關的導通和關斷時間，從而調控交流輸出電壓，但是在實際直流電源系統中，電源電壓不會經過零，因此采用全控型開關來控制電路的導通和關斷，最終達到直流變化的目的。

Boost電路可以持續輸入電流，而且對電源的電磁干擾相對較小，但是輸出端的二極管電流輸出波形的波動范圍相對較大，所以一般會在輸出端并聯一個電容作為濾波器來減小輸出電壓的變化。Boost升壓逆變器是一種全控元件的電路，首先假設電感L極大，電容C無窮大，那么當晶體管V接通（接通時間為ton）時：電源E對電感L充電，該時間段電流I1保持不變，與此同時電容C對負荷R供電，而且輸出的電壓Uo也保持不變；當晶體管V關斷（關斷時間為toff）時：電源E和L同時對電容C充電，且對負載R供電。

（四）DC-AC逆變器工作原理

DC-AC逆變電路類型有：單相橋式逆變電路、全橋型逆變電路、三相電壓型橋式逆變器電路。我們選擇的是全橋逆變器，因為該電路具有以下特點：

第一，輸入端是電壓源或者并聯的大電容，直流端的電壓幾乎沒有波動。第二，輸出的電壓是矩形波，輸出的電流隨連接的負荷阻抗變化而變化。第三，逆變橋各臂并聯二極管。因為負荷呈電感性時會吸收無功，就必須給輸出端向輸入端反饋的無功提供通道。

二、仿真實現

（一）整體仿真和運行環境

在MATLAB2010b環境下，建立了太陽能逆變器設計的仿真模型。從太陽能逆變器設計的整體仿真來看，該模型整體結構為：太陽能光伏電池提供電壓，對其電壓和電流采樣檢測，然后通過Boost升壓變換器，其中變換器由對太陽能電池的MPPT最大功率跟蹤控制，輸出高電壓等級直流，再通過PWM脈沖信號控制的逆變器輸出交流，對交流進行濾波后采樣電壓、電流，最后接入電網。

考慮Simulink仿真其實是一個計算機程序，它詮釋了我們想要仿真模塊的微分和差分方程，按照不同算法的特征、仿真性能與適用范圍，本設計選擇固定步長（Fix-step）中的ode3（Bogacki-Shampine）算法，設置步長為1e-6。Ode3是離散系統算法，離散discret是不包括積分運算的固定步長算法，對非連續性的仿真模型具有很大的實用性。仿真運行從0時刻開始，運行時長0.3S。

（二）電池參數和仿真

電池是太陽能逆變器仿真運行時電能的來源，需要對其參數進行合理的設置。本文中太陽能電池主要參數如下：光照強度Sref=1KW/m2，電池溫度Tref= 25℃，基于光照強度Sref、電池溫度Tref數值的前提下，設定電池開路電壓VOC= 215V，短路電流ISC=12.66A，功率達到最大時的電壓Vm=175V，功率達到最大時的電流Im=11.82A，Pm=2068.5W。考慮外界環境影響，引入平衡系數a=0.0126，b= 0.625，等效串聯電阻Rs=0.2Ω。

（三）Boost變換器和MPPT仿真

Boost變換器仿真，由IGBT、二極管、電感、電容和濾波電容組成，參數值：電感為9e-5L，輸入端電容和輸出端的濾波電容都為200e-6F；IGBT參數：內部阻力為1e-3，阻尼器電阻為e5Ω，阻尼器電容無窮大。其中IGBT通過柵極g由脈沖信號控制開關的導通和關斷，輸入柵極g的脈沖信號是基于在MPPT仿真模型控制中由PWM觸發脈沖電路提供。

MPPT擾動測量法輸入端的電壓、電流分別經過采樣保持器保留一個周期，然后經比較該時刻的輸出功率P（N）和前一時刻的輸出功率P（N-1）的數值，判斷下一步的動作是增大還是減少輸出電壓來控制輸出功率，把該時刻和上一時刻的功率差值和電壓差值經過符號函數然后相乘，乘積得到的數值作為改變控制觸發脈沖占空比α的參考電壓Ub，即變化步長（Ub）的信號，并且此時的步長作為PWM脈沖信號模塊的輸入信號，和PWM脈沖模塊輸出脈沖信號占空比α成正比。想要改變占空比α的值，只需要改變步長Ub即可，而改變步長的同時也就使電池的輸出功率逐漸增加，直到最大，即實現了MPPT最大功率跟蹤控制。

（四）DC-AC逆變器仿真

把與電網同頻同相的電壓、電流的值作為指令值輸入，檢測后通過dq0-abc坐標變換，再由PWM調控、門電路處理，得到相應的驅動信號來控制開關的導通與關斷，最后輸出負載所需要的固定幅值和與頻率的交流電壓。

當整個設計從電池輸出電壓、電流到MPPT控制的變換器，再經過PWM調制的逆變器后，就達到了我們所要的目的，輸出交流電壓、電流。在逆變器的輸出端接有濾波器和電壓、電流采樣模塊，通過示波器可以觀察到輸出電壓和電流的波形。

三、結語

當今世界能源短缺問題非常嚴重，人們一直再努力研究開發新能源，毫無疑問風能、潮汐能、地熱能、太陽能等可再生能源成為人們的主要研究對象。而太陽能是新能源的重要能源之一，它清潔、易實現，因此光伏并網發電就具有了深遠的理論價值和現實意義，而連接光伏陣列和電網的光伏逆變器，則是整個光伏并網發電系統的關鍵。實現太陽能最大功率的跟蹤控制，使太陽能光伏發電有效利用率達到最大，將太陽能轉化為直流電流，再通過逆變器轉換為交流電并入電網，可以有效減輕能源緊缺問題。

（作者單位為國網四川省電力公司涼山供電公司）

［1］ 馬兆彪.太陽能光伏并網發電系統的分析與研究［D］.無錫：江南大學，2008.

［2］ 陳堅.柔性電力系統中的電力電子技術［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］ 李春鵬，張廷元，等.太陽能光伏發電系統綜述［J］.電工材料，2006.

鄧榮萍（1991—），女，本科，變電站值班員，主要從事變電站運行維護工作。］