光伏發電正弦波逆變系統設計

楊志衛，朱建華，高 俊

（浙江科技學院，浙江杭州310023）

光伏發電是根據光生伏特效應,利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。小型光伏發電系統主要由光伏電池組件、蓄電池、充放電控制器和正弦波逆變器四大部分組成，由于系統主要由電子元器件構成，不涉及機械部件,所以,光伏發電設備極為精煉,具有可靠、穩定、壽命長、安裝維護簡便的顯著優點。理論上講,光伏發電技術可以用于任何需要電源的場合,因此，研究和開發光伏發電系統科學的能量控制策略，提高能量利用率，是十分必要的。為此，本文設計了一種小型光伏發電系統，以期對光伏發電技術作一些有益的探索。系統控制器采用了最大功率點跟蹤（MPPT)技術和充電管理技術，以提高系統的效率并延長蓄電池的壽命。正弦波逆變器采用DC/DC變換和DC/AC逆變二級變換技術，以提高變壓器的利用率和系統轉換效率,降低系統成本；采用可編程低頻正弦波DDS單片電路，以保證信號源的精度和穩定性；采用專業驅動芯片，提高控制系統的可靠性，減少了電路的復雜程度。本文重點介紹正弦波逆變部分。

1 光伏發電系統的控制方案

1.1 光伏發電系統的基本結構

小型光伏發電系統由光伏電池組件、蓄電池、充放電控制器、正弦波逆變器等幾部分組成?？刂葡到y由防反沖二極管、充電控制器、電流采樣電路、電壓采樣電路、場效應管等組成；正弦波逆變器由DC/DC變換器、正弦信號發生器、精密整流電路、DC/AC逆變器等組成。系統結構框圖如圖1。

圖1 光伏發電系統框圖

1.2 光伏電池組件

單體的太陽電池采用純度較高的晶硅棒，經過切割、研磨、拋光等工序制成晶片，構成太陽電池的基底部分，隨后在其表面擴散與該材料異性的雜質，構成pn結[1]。表面擴散層引出的電極為上電極，基底引出的電極為下電極。如果將上下電極與負載連接，將產生回路并向負載供電。單體的太陽電池只能提供約0.5 V的電壓，約20mA的電流，不能滿足實際用電的需要，實際使用時需要多個單體的太陽電池串并起來，并封裝在一個透明的外殼內，形成特定的電池組件，這個特定的組件就是光伏電池組件。

1.3 蓄電池

蓄電池的作用是儲存太陽電池提供的電能，蓄電池成本占光伏發電系統初始設備成本的25%左右，如果對于蓄電池的充放電控制比較簡單，容易導致蓄電池提前失效，使系統的運行成本增加。蓄電池一般并不能達到設計的使用壽命，蓄電池運行管理不合理是導致蓄電池提前失效的重要原因。因此科學的系統能量控制策略，對延長蓄電池使用壽命至關重要。

1.4 控制器

控制器的主要功能是保證系統能高效、可靠地工作。它包括最大功率點跟蹤（MPPT)系統、充電管理系統、蓄電池過充保護電路、過放保護電路、過流保護電路等。

MPPT系統是一種根據溫度和光強的變化自動調節電路的工作狀態，使太陽電池電能輸出最大化的電氣系統[2]。MPPT的控制過程是一個自尋優過程，通過對太陽電池當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前太陽電池輸出功率，再與已被存儲的前一時刻功率相比較，舍小存大，再檢測，再比較，如此不停地周而復始，便可使陣列動態地工作在最大功率點上。

電池充電管理系統是根據所選蓄電池的特性設計的，控制器采取了預充、快充、保持三個階段進行充電管理。是否預充電由電池端電壓決定，當電池端電壓已經低于蓄電池允許的最低充電壓以下時需要預充電，其目的是當電池過度放電后，充電時必須以小的電流進行預充，使電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上?？焖俪潆姴捎肕PPT模式向蓄電池充電，其電流值應小于蓄電池的最大允許充電電流，當單個電池單元電壓達到所設定的終止電壓時，MPPT模式充電終止，充電電流快速遞減，充電進入保持充電過程。保持充電是在電池兩端施加一個恒定的電壓，檢測充電電流，當充電電流小于設定值時終止充電。

蓄電池對充放電要求很高，當過充電、過放電、外部電路短路發生時，造成電池內部的溫度上升，導致電池壽命縮短。因此，蓄電池設置充電、過放電、外部電路短路保護電路。

1.5 逆變器

逆變器是DC/AC轉換器，它能將電池組的直流電源轉換成穩定的220 V、50 Hz交流電或其它類型的交流電，供交流負載使用。

2 正弦波逆變器設計方案

2.1 正弦波逆變系統的結構及基本原理

正弦波逆變系統由蓄電池、DC/DC變換器、PWM控制電路、DC/AC逆變器、直流側過電流保護電路、交流側過電流保護電路等幾部分組成。系統框圖如圖2所示。

正弦波逆變器采用典型的二級變換，即DC/DC變換和DC/AC逆變。首先由DC/DC變換將DC 36 V電壓逆變為高頻方波，經高頻升壓變壓器升壓，再整流濾波得到一個穩定的約310V直流電壓；然后再由DC/AC變換以正弦波逆變的方式，將穩定的直流電壓逆變成脈寬調制波；再經LC工頻濾波得到穩定的有效值為220 V的50Hz交流電壓，以驅動負載。

2.2 DC/DC變換

由于變壓器原邊電壓為36 V,為了提高變壓器的利用率,降低成本,第一級采用DC/DC變換[3]，其電路結構如圖3所示。采用推挽式電路，原邊中心抽頭接蓄電池，兩端用開關管控制，交替工作，可以提高轉換效率。而推挽式電路用的開關器件少,雙端工作的變壓器的體積比較小,可提高占空比,增大輸出功率。

2.3 DC/DC逆變器的PWM控制電路

變壓器原邊的開關管S1和S2各采用IRF540、PWM控制電路芯片SG3524，SG3524是由鋸齒波振蕩器、誤差運算放大器、控制放大器、比較器、觸發器、與非門及功率驅動管組成。外部電阻Rt和電容Ct與芯片內部的振蕩器控制線路共同組成一個鋸齒波振蕩器，鋸齒波振蕩器輸出頻率固定的鋸齒波。振蕩器的工作頻率由Rt和Ct決定；當把這個三角波電壓送到電壓比較器的反相端與送到比較器的同相端的來自誤差放大器或控制放大器的輸出電壓進行比較時，在比較器的輸出端將得到具有一定寬度的矩形電壓脈沖波。這樣只要適當調節誤差放大器或控制放大器的輸入電壓，使輸出電壓按一定的規律上升或下降，其產生PWM方波所需的外圍線路很簡單。當兩個輸出并聯使用時,輸出脈沖的占空比為0～95%,脈沖頻率等于振蕩器頻率的1/2。當關斷端加高電平時,可實現對輸出脈沖的封鎖,與外電路適當連接,則可以實現欠壓、過流保護功能。利用SG3524內部自帶的運算放大器調節其輸出的驅動波形的占空比D，使D＞50%，然后經過CD4011反向后，得到對管的驅動波形的D＜50%，這樣可以保證兩組開關管驅動時，有共同的死區時間。

2.4 DC/AC變換

2.4.1 正弦波的產生

正弦波產生電路采用M icro Linear公司的一款低頻正弦波DDS單片電路ML2035，它內部主要由正弦信號產生、晶振和串行數字接口等部分組成。它的控制可以通過芯片的串行數字接口實現，數字接口部分主要由移位寄存器和數據鎖存器組成。SID引腳上的16 bits（位）數據字在時鐘SCK的上升沿時被送入16 bits（位）的移位寄存器，在LATI的下降沿觸發下，送入移位寄存器的數據被鎖存進數據鎖存器，LATI的下降沿應該發生在SCI為“0”的電平期間。

正弦波信號發生器原理如圖4所示，圖中74HC4060是14位二進制串行計數器，在時鐘的下降沿計數器翻轉。ML2035的SID端為串行數據輸入端，經74HC4060運算后在Q5、Q8和二極管V構成的頻率字控制電路中得到所要求的二進制頻率字。ML2035的SCK接至Q4，為串行時鐘輸入端，上升沿有效。Q8的上升沿經過微分電路產生一尖脈沖，接至ML2035的LATI，在其下降沿把SID端輸入的串行數據鎖存到ML2035的內部數據鎖存器。

輸出正弦波信號的頻率f由頻率控制字D及晶振頻率fc決定，三者之間的關系為 D=f×223/fc[4]，若選晶振頻率為2.467 238MHz，輸出的正弦波頻率為50 Hz，可計算得到頻率控制字D=170，二進制表示為下標>決，三者之 10101010。頻率控制字產生的時序如圖5所示。

2.4.2 SPWM調制過程

正弦波信號產生后，一路經過精密全波整流，得到饅頭波uc，另一路經過比較器得到與正弦波同頻率，同相位的方波ub。uc與1 V基準經過加法器后得到ud，ud輸入到SG3524送到比較器的同相端，這樣ud和鋸齒波將在SG3524內部的比較器進行比較產生SPWM波ue。分相電路用二塊四輸入與門CD4011組成。ub和ue加到分相電路后就可以得到驅動信號uf和ug，再將uf和ug加到MOS管驅動電路，就可以實現正弦脈寬調制。調制過程如圖6所示。

2.4.3 驅動電路設計

驅動電路采用IR公司的專用芯片IR2110，該芯片是IR公司生產的大功率MOSFET和IGBT專用驅動集成電路，可以實現對MOSFET和IGBT的最優驅動，同時還具有快速完整的保護功能，因而它可以提高控制系統的可靠性，減少電路的復雜程度。IR2110的自舉電容[5]選擇不好，容易造成芯片損壞或不能正常工作。VB和VS之間的電容為自舉電容。自舉電容電壓達到8.3 V以上，才能夠正常工作，要么采用小容量電容，以提高充電電壓，要么直接在VB和VS之間提供10～20 V的隔離電源，本電路采用了1μF的自舉電容。為了減少輸出諧波，逆變器DC/AC部分一般都采用雙極性調制，即逆變橋的對管是高頻互補通和關斷的。驅動電路如圖7所示。

2.4.4 SPWM調制電路

如圖7所示，DC/AC變換采用單相輸出，全橋逆變形式，輸出使用工頻LC濾波。由4個IRF740構成橋式逆變電路，IRF740最高耐壓400 V，電流10 A，功耗125W，利用半橋驅動器IR2110提供驅動信號，其輸入波形由SG3524提供，同理可調節該SG3524的輸出驅動波形的D＜50%，保證逆變的驅動方波有共同的死區時間。

3 實驗結果

用30W太陽電池板2塊、36 V 50 Ah蓄電池組、控制器、逆變器及220 V 75W的白熾燈構成系統進行實驗。實驗結果顯示，逆變系統輸出電壓波形平滑；輸出電壓穩定在220 V，變換負載時未見有明顯的電壓波動；輸出頻率為50 Hz，精度為1%。實驗的電路波形如圖8所示。

圖8 輸出波形

4 結束語

本文介紹了一種小型光伏發電系統。系統電路主要由充電控制器、正弦波逆變器組成。充電電路實現了蓄電池的充電控制和太陽電池的一階最大功率點跟蹤；正弦波逆變電路采用DC/DC變換和DC/AC逆變二級變換技術、可編程低頻正弦波DDS單片電路和專業驅動芯片。試驗和運行結果表明，此光伏發電系統具有效率高、穩定性好的優點,有一定的實用價值。

[1] 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等．太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社,2005：35-36.

[2] 吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統的智能控制器[J].清華大學報（自然科學版），2003，43(9)：1195-1198.

[3] 黃俊.王兆安.電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社,1999：111-113.

[4] 孫悅,尹成群,黃怡然.基于ML2035低頻正弦信號發生器的設計[J].現代電子技術,2008,21:106-108.

[5] 陳世鋒,張代潤,黃念慈.基于SHE-PWM控制的DC-AC電源[J].電源世界,2007,12:24-27.