基于三電平逆變器的光伏系統實驗演示裝置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 義 馬 驥 張 斌 王 聰

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 北京 100083

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基于三電平逆變器的光伏系統實驗演示裝置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 義 馬 驥 張 斌 王 聰

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 北京 100083

摘 要：討論了一種用于輔助電力電子技術理論教學的光伏發電系統實驗演示裝置的研制，重點分析了中點鉗位三電平光伏逆變器的設計。該逆變電路通過SPWM控制方法，將直流電壓轉換成負載所需的交流電壓，具有諧波少、效率高等一系列優點?；诠夥l電實驗演示裝置通過模塊化的形式，將光伏發電的過程清晰地呈現出來，同時通過改變光伏板的傾斜程度可以完成各種演示實驗，使理論教學過程更直觀，更富有活力。

關鍵詞：實驗裝置；逆變器；工作原理

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

1 光伏發電原理

光伏發電是利用半導體材料的表面光伏效應將太陽能轉化為電能，然后通過DC/DC變換和逆變等過程，實現并網發電。圖1為實驗裝置的結構圖，該裝置主要由光伏板、逆變器、蓄電池、燈泡等構成，能夠實現太陽能到電能的轉換，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的儲能裝置，將多余的電能存儲起來，用于夜間或沒有太陽時供給負載，保證實驗教學時整個裝置可以順利運行。接下來分別介紹各個模塊的設計及原理，由于整個實驗裝置中，逆變器是其核心器件，保證太陽能板轉化的電能能夠并入電網，使燈泡正常工作，所以將重點介紹逆變部分，包括它的工作原理，控制方法和實驗波形。

圖1 光伏發電裝置結構圖

2 實驗演示裝置研究

2.1 光伏板和MPPT控制器

為了使光伏陣列產生的電能更簡單的轉換到負載額定電壓范圍內，同時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，實驗裝置中加入最大功率點跟蹤裝置，該裝置通過實時監測太陽能板的發電電壓，計算出光伏陣列的輸出功率，來實現對電壓電流最大值的跟蹤，使工作效率大大提高。

2.2 DC/DC變換電路設計

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

圖2為升壓電路電路圖。與普通的boost電路相比，交錯并聯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，同時還降低了輸入電流的波紋［1，2］。為了使得到的電壓更穩定，boost電路中開關管的通斷用閉環控制電路實現。

圖2 交錯并聯boost電路圖

交錯并聯boost電路在一個工作過程周期中有4種狀態。

狀態1：V1，V2都導通時，電感L1，L2存儲能量，電容C1，C2無能量流動。

狀態2：V1導通，V2關斷，電感L1存儲能量，L2釋放能量，電容C1充電，C2放電。

狀態3：V1關斷，V2導通，電感L1釋放能量，L2存儲能量，電容C1放電，C2充電。

狀態4：V1關斷，V2導通，電感L1通過電容C1和二極管D1續流，L2通過電容C2和二極管D2續流，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，具有開關損耗小、電磁干擾小、光伏陣列對地雜散電容上無共模漏電流、所需濾波電感小等優點，三電平逆變器開關器件所承受的電壓僅為直流側電壓的一半，因此低耐壓的器件也可以實現高壓，高功率的傳輸。

圖3為逆變器的原理圖，忽略開關器件的正向導通壓降，根據開關器件的導通關斷情況得到3種輸出狀態［3-7］：“P”狀態，V1，V2導通，V3，V4關斷；“O”狀態，V2，V3導通，V1，V4關斷；“N”狀態，V3，V4導通，V1，V2關斷。

圖3 三電平逆變器原理圖

“P”狀態：當V1，V2導通時，若電流從逆變器電路正向流入負載，即電流從A點流經V1，V2到負載，此時U點和O點間的電位差為Ud/2；若電流從負載反向流入逆變器，則電流流過與主開關反向并聯的二極管并對電容C1充電，但U點和O點間的電位差仍為Ud/2。

“N”狀態：當V3，V4導通時，若電流從逆變器電路正向流入負載，即電流經過V1，V2流回B點，此時U點和O點間的電位差為-Ud/2；若電流從負載反向流入逆變器，則電流流過與主開關反向并聯的二極管并對電容C2充電，U點和O點間的電位差仍為Ud/2。

“O”狀態：當V2，V3導通時，U點和O點間的電位差為0，實際上V2，V3并未同時導通，當電流方向為正向時，電流從O點依次流過D1和V2，當電流方向為負時，電流則通過V3和D2流回O點。即通過D1 和D2的導通將U點的電位鉗位在0電位上。為保證三種狀態的正常工作，降低中點波動，減小兩個電容間的壓差，C1，C2必須相等。

在工作過程中，V1和V3的通斷狀態是互補的，V2和V4的通斷狀態是互補的，控制過程簡單易實現，但是為了避免V1，V4同時導通而發生短路，開關器件的通斷轉換必須遵從先斷后通的原則，為此在兩個開關導通時間上設置了一小段死區，保證電路的安全性。同時為了能夠得到相對穩定的正弦輸出電壓，將逆變所得的正弦信號進行檢測，用標準正弦波（50 Hz，0.8 V）與檢測所得波形相減，再經過比例放大作為調制信號，以50 kHz的三角波作為載波，在兩者的交點時刻控制開關器件的通斷。通過簡單的閉環控制，可以使電路能夠及時動態調整方波的占空比，提高電路的抗擾性能；電路通過負反饋過程消除實際輸出與要求輸出之間的差值，使所得的波形更精準。

三電平逆變器的主要特點是由不同層次的電平合成正弦波，在同樣的開關頻率下，和傳統的兩電平相比，能夠實現更多階次的電平，因此輸出波形更接近正弦波。

3 實驗驗證

升壓所得的100 V電壓，經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為實驗演示裝置。各模塊以一個網格架為支撐搭建連接成一個整體，太陽能光伏板能夠自由變換角度，實現了入射角的可變；在支架下安裝萬向輪，便于整個實驗演示裝置的移動；裝置采用模塊化技術，使得學生能夠更透徹地了解光伏發電過程中各部分的原理和作用。

以中國礦業大學（北京）為試點投入使用，在教學過程中讓學生自己動手操作，結合教學討論，課堂氛圍相對純理論教學更活躍，整個學習過程不僅提高了學生的積極性，還增強了他們的求知欲；通過一段時間的實驗教學和課后調查，學生在使用教學實驗裝置后，對光伏發電有了更直觀清晰的了解，同時對相關知識的掌握更牢固，有些學生還對光伏發電產生了極大的興趣，該裝置在教學應用中起到的積極作用可見一斑。

圖6 實驗演示裝置

4 結束語

本文介紹了三電平逆變器的工作過程和控制方法，通過仿真和反復測試，驗證了中點鉗位三電平逆變器能夠很好地實現直流到交流的變換，以此為基礎研究制作的光伏發電實驗演示裝置也達到了預期的要求，實現了電能的儲存，轉換以及并網應用，使新能源教學從理論到實踐成為可能。通過試點推廣和走訪調查，驗證了該實驗裝置的可行性和在教學過程中起到的積極作用，達到了預期的教學效果。

參考文獻

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實驗室與實訓基地建設

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

作者簡介：郭思雯，在讀本科生。任家敏，博士，教授。