光伏發(fā)電逆變技術(shù)探究

榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院 邵 瑞

1.逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用

由下圖可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、蓄電池充電控制器、蓄電池組、升壓控制器、逆變器、斷路器等部分組成,光伏陣列將接收到的太陽能轉(zhuǎn)換成電能，再通過蓄電池充電控制器把電能充電到蓄電池組。日照充足時(shí)，光伏陣列發(fā)出的電直接通過升壓控制器、逆變器等部分轉(zhuǎn)換成交流電供給負(fù)載。并將多余的能量通過蓄電池存儲起來。日照不足時(shí),儲存于蓄電池中的電量經(jīng)過升壓控制器、逆變器后產(chǎn)生交流正弦電壓供給交流負(fù)載。蓄電池組中的直流電可通過斷路器直接給直流負(fù)載供電。

光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.光伏系統(tǒng)逆變基本電路

太陽能發(fā)出的電是直流電，通過電池板的串并聯(lián)，可以得到12V的直流電，然后儲存到蓄電池里。而百姓日常生活中經(jīng)常用到的電是220V交流電，如家里的電視、照明燈、冰箱、洗衣機(jī)等。如果把儲存到蓄電池里的12V直流電通過一定的電路系統(tǒng)變成220V的交流電，可以供給人們?nèi)粘Ｊ褂谩?2V的直流電變成220V的交流電的這一過程，可稱為逆變。故把直流電變成交流電的過程統(tǒng)稱為逆變過程。 這一過程的全橋逆變原理如圖1所示。

圖1

3.光伏系統(tǒng)逆變電路的相關(guān)技術(shù)

3.1 SPWM控制技術(shù)

SPWM是脈沖寬度按正弦規(guī)律變化的PWM波，是通過調(diào)制脈沖的寬度來控制開關(guān)開啟時(shí)間的長短按正弦規(guī)律變化，來改變通電頻率。

3.2 SPWM逆變電路

目前大部分逆變電路基本都采用SPWM技術(shù)，SPWM逆變電路有電壓型和電流型兩種。可以根據(jù)波型半周期脈沖數(shù)、頻率、幅值，計(jì)算SPWM波脈沖寬度和時(shí)間間隔，來控制逆變系統(tǒng)里電源開關(guān)的通斷，就可以得到所需要的一定頻率的電源電壓。這里通常用橋式整流器件IGBT模塊（或場效應(yīng)管）來替換逆變系統(tǒng)里普通電源開關(guān)（繼電器觸點(diǎn)）。

圖2

圖3

圖4

3.3 用繼電器觸點(diǎn)作為光伏逆變系統(tǒng)的開關(guān)信號的缺陷及軟開關(guān)技術(shù)

逆變電源是電源系統(tǒng)中為負(fù)載提供動(dòng)力的裝置。如果用繼電器觸點(diǎn)來作為逆變電源的開關(guān)信號，會(huì)引起以下問題：

逆變電源可以看作是繼電器觸點(diǎn)的感性負(fù)載，電路開通閉合時(shí)，會(huì)引起很大的啟動(dòng)電流。頻率越高，電流尖峰越大，開關(guān)電阻引起的熱量損耗會(huì)使觸點(diǎn)溫度升高，可能會(huì)引起器件過熱損壞；電路關(guān)斷時(shí)，開關(guān)器件上的電流突然下降，感性負(fù)載會(huì)在繼電器觸點(diǎn)上產(chǎn)生反電動(dòng)勢和原觸點(diǎn)上電壓產(chǎn)生疊加，產(chǎn)生尖峰電壓，可能會(huì)因瞬間過電壓對觸點(diǎn)產(chǎn)生損壞。而且隨著開關(guān)頻率的變大，損壞的可能性越來越高；而且不管電路開通還是電路關(guān)斷，都會(huì)對周圍電路產(chǎn)生電磁干擾，影響其它電路的正常工作；繼電器觸點(diǎn)都有有限的通斷次數(shù)，超過這個(gè)次數(shù)，會(huì)因機(jī)械觸點(diǎn)疲勞而產(chǎn)生損壞。

圖6

上述問題都嚴(yán)重妨礙了繼電器觸點(diǎn)工作頻率的提高。而軟開關(guān)技術(shù)則克服了上述缺點(diǎn)。軟開關(guān)工作方式關(guān)斷損耗近似為零，而且不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。軟開關(guān)技術(shù)在通斷頻率很高時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生不良影響。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，可以把逆變器變的體積越來越小，質(zhì)量越來越輕，可靠性越來越好，效率越來越高。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，逆變電源的工作頻率需要越來越高，而基于SPWM技術(shù)的軟開關(guān)逆變電源電路結(jié)構(gòu)簡單，能實(shí)現(xiàn)定頻控制。因此用SPWM軟開關(guān)替代繼電器觸點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

4.光伏逆變電源設(shè)計(jì)

4.1 光伏陣列輸出電壓的檢測

光伏陣列輸出電壓的檢測電路如圖2所示。R1為采樣電阻，LM358為放大器，放大測得的電壓，LM358的OUTPUT信號輸入到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)過單片機(jī)處理后得到所測的電壓值。

4.2 光伏陣列輸出電流的檢測

根據(jù)光伏陣列的輸出電流大小，使用一個(gè)或多個(gè)MAX471芯片并聯(lián)測量光伏陣列的輸出電流。MAX471是美國Maxim公司生產(chǎn)的一種高精度電流檢測放大器，其內(nèi)部嵌入一個(gè)35毫歐的電流采樣電阻，不需要設(shè)計(jì)人員再另外設(shè)計(jì)采樣電阻。每一個(gè)芯片最大能測量3A的電流，可根據(jù)要測量的電流范圍并聯(lián)多個(gè)MAX471芯片進(jìn)行測量。下面以兩個(gè)MAX471芯片并聯(lián)電路畫出電流檢測電路的原理（見圖3）。

4.3 升壓主電路設(shè)計(jì)

升壓主電路采用兩個(gè)IF3205 Power MOSFET管互補(bǔ)導(dǎo)通，再經(jīng)過變壓器升壓，并整流，達(dá)到315V穩(wěn)定的直流高壓。主電路如圖4所示。

4.4 升壓驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

SG3525芯片用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)升壓主電路的IRF3205管的方波脈沖，使其互補(bǔ)導(dǎo)通。其電路控制圖如圖5所示。

4.5 逆變主電路設(shè)計(jì)

用4個(gè)IRF740 N型MOSFET管和四個(gè)續(xù)流二極管構(gòu)成全橋逆變電路， SPWM脈沖波控制四個(gè)橋臂的輪流導(dǎo)通，如圖6所示。

4.6 SPWM脈沖波的實(shí)現(xiàn)

輸出4個(gè)相互關(guān)聯(lián)的SPWM波形來控制全橋逆變電路中的晶體管的通斷，可采用單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制方式?，F(xiàn)在一般使用專用集成電路來產(chǎn)生SPWM調(diào)制信號。設(shè)計(jì)人員只需要設(shè)置輸出頻率、電壓等參數(shù)就可以生成需要的SPWM信號。這種生成SPWM波的方式簡單可靠，是目前廣泛使用的控制方式。如美國英特爾公司生產(chǎn)的8Xc196MC微處理器，其內(nèi)部就可以輸出6路SPWM信號。

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