一種新型光伏逆變器的設(shè)計(jì)

王 灝

許昌電氣職業(yè)學(xué)院 河南許昌 461000

1 光伏逆變器概述

隨著工業(yè)化的發(fā)展,煤、石油等傳統(tǒng)化石燃料大量開發(fā)與利用,推動(dòng)了人類社會(huì)的進(jìn)步,與此同時(shí)也帶來一系列問題,不僅導(dǎo)致傳統(tǒng)燃料逐漸枯竭,而且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染問題[1],對(duì)人類的生存與發(fā)展產(chǎn)生較大的影響。太陽能是一種清潔能源,具有來源廣、使用安全等特點(diǎn),可以較好地解決人類面臨的資源枯竭、環(huán)境污染等問題,具有非常廣闊的應(yīng)用前景[2]。人們利用太陽能的重要形式之一是光伏發(fā)電。由于太陽能受到光照、溫度、季節(jié)、天氣等多種因素的影響,輸出的電能不穩(wěn)定,無法提供用戶直接使用,因此為達(dá)到輸出電能穩(wěn)定的目的,科學(xué)家研制了光伏逆變器。

光伏逆變器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)復(fù)雜設(shè)備,需要具有可靠性高、輸入電壓范圍寬、失真度小、效率高等特點(diǎn),還要具備反應(yīng)速度快、短路保護(hù)、過載保護(hù)等功能。光伏逆變器可以對(duì)光伏板發(fā)出的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)換與控制,在光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量等方面具有重要的作用。當(dāng)輸入電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí),通過光伏逆變器可以保證輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定,為用電負(fù)載提供優(yōu)質(zhì)電源。

2 設(shè)計(jì)背景

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用,使光伏逆變器朝智能化、集成化、信息化、低損耗、高壓高頻、智慧網(wǎng)絡(luò)、大功率等方向發(fā)展。光伏逆變器可以分為單端反激式、雙端反激式、集中式、組串式、集散式、微型等多種類型,這些光伏逆變器各有特色。雙端反激式光伏逆變器具有拓?fù)浜?jiǎn)單、可靠性高、高頻隔離等優(yōu)點(diǎn),在中小功率場(chǎng)合中廣泛應(yīng)用,并且在電源領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛,基本拓?fù)潆娐分饕袉味耸健⒔诲e(cuò)式。筆者在對(duì)傳統(tǒng)光伏逆變器分析與研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種新型光伏逆變器,能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用與轉(zhuǎn)換。所設(shè)計(jì)的光伏逆變器包括交錯(cuò)反激變換器與逆變兩部分,筆者通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

3 硬件

所設(shè)計(jì)的光伏逆變器與組件、匯流箱、電纜、支架等共同構(gòu)成整個(gè)光伏系統(tǒng),具有最大功率點(diǎn)追蹤功能,其性能直接影響系統(tǒng)發(fā)電效率和穩(wěn)定性。所設(shè)計(jì)的光伏逆變器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安全穩(wěn)定,并且電氣性能良好,成本低。

3.1 交錯(cuò)反激變換器電路

交錯(cuò)反激變換器根據(jù)輸入、輸出電壓的大小可以分為降壓變換器、升壓變換器、升降壓變換器,筆者在設(shè)計(jì)中采用升降壓變換器。交錯(cuò)反激變換器采用兩個(gè)單端反激電路,包括高頻變壓器T1、T2,功率管Q1、Q2,整流二極管D1、D2。高頻變壓器T1、T2除起儲(chǔ)能和能量傳輸雙重作用外,還具有輸入與輸出隔離、減小系統(tǒng)體積及質(zhì)量等作用。

綜合單端反激電路的優(yōu)點(diǎn),交錯(cuò)反激變換器電路的工作原理是利用驅(qū)動(dòng)控制功率管Q1、Q2,通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使功率管Q1、Q2輪流導(dǎo)通。交錯(cuò)反激變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 交錯(cuò)反激變換器電路拓?fù)?/p>

功率管Q1導(dǎo)通,功率管Q2關(guān)斷,光伏電壓Ui向變壓器原邊供電。通過對(duì)變壓器同名端進(jìn)行分析,此時(shí)整流二極管D1是不導(dǎo)通的,電能以磁能的方式保存至高頻變壓器T1。由于功率管Q2不導(dǎo)通,高頻變壓器T2的反電動(dòng)勢(shì)使整流二極管D2導(dǎo)通,高頻變壓器T2將功率管Q2開通時(shí)存儲(chǔ)的電能傳給電容C1及電阻R。

功率管Q1關(guān)斷,功率管Q2導(dǎo)通,光伏電壓Ui向變壓器原邊供電。通過對(duì)變壓器同名端進(jìn)行分析,由于功率管Q1不導(dǎo)通,高頻變壓器T1的反電動(dòng)勢(shì)使整流二極管D1導(dǎo)通,高頻變壓器T1將功率管Q1開通時(shí)存儲(chǔ)的電能傳給電容C1及電阻R。由于功率管Q2導(dǎo)通,輸入電源會(huì)輸入至高頻變壓器T2,電能以磁能的方式存儲(chǔ)起來。

若將此交錯(cuò)反激變換器作為逆變器高頻直流環(huán)節(jié),工作在正弦脈寬調(diào)制模式,交錯(cuò)反激變換器濾波后的直流電供逆變器后級(jí)逆變。交錯(cuò)反激變換器工作波形如圖2所示。

圖2 交錯(cuò)反激變換器工作波形

高頻正弦脈寬調(diào)制波驅(qū)動(dòng)功率管Q1、Q2將直流電壓變換為高頻脈沖,通過高頻變壓器的隔離升壓后調(diào)制為只有正弦波正半周的直流電。

3.2 逆變電路

逆變電路的作用是將前級(jí)交錯(cuò)反激變換器的正弦波正半周直流電變?yōu)檎医涣麟姟Ｍㄟ^對(duì)逆變電路進(jìn)行分析,綜合幾種電路的特點(diǎn),筆者采用全橋式逆變拓?fù)潆娐贰Ｄ孀冸娐吠負(fù)淙鐖D3所示。

圖3 逆變電路拓?fù)?/p>

前級(jí)交錯(cuò)反激變換器電路工作在高頻狀態(tài),后級(jí)逆變電路工作在低頻狀態(tài),可以有效降低工作時(shí)的損耗,促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)工作效率的提升。在電路拓?fù)渲?后級(jí)電路是逆變電路,將前級(jí)交錯(cuò)反激變換器電路輸出的正弦波正半周直流電變?yōu)檎医涣麟姟９夥孀兤鞴ぷ鞑ㄐ稳鐖D4所示。

圖4 光伏逆變器工作波形

通過逆變電路分析可知,通過檢測(cè)逆變電路輸出信息,并調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào),可以使整個(gè)系統(tǒng)處于閉環(huán)控制狀態(tài),同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤功能。開關(guān)管Q1、Q4和開關(guān)管Q2、Q3各為一對(duì)管,輪流導(dǎo)通,二組對(duì)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)留有死區(qū)以避免直通。開關(guān)管Q1、Q4導(dǎo)通,開關(guān)管Q2、Q3不導(dǎo)通時(shí),逆變電路的輸出Uo是正半周期。開關(guān)管Q1、Q4不導(dǎo)通,開關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通時(shí),逆變電路的輸出Uo為負(fù)半周期。因此,利用設(shè)計(jì)的逆變電路輪流導(dǎo)通,使光伏逆變器實(shí)現(xiàn)50 Hz、220 V正弦交流電輸出。

4 軟件

4.1 控制方案

為實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的正常運(yùn)行,在光伏逆變器硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,還需配備相應(yīng)的軟件驅(qū)動(dòng)和控制程序,包括主程序、采樣功能模塊、最大功率點(diǎn)追蹤功能模塊、脈寬調(diào)制控制功能模塊等。實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),應(yīng)從光伏陣列輸入的瞬時(shí)電壓、交錯(cuò)反激變換器輸出的瞬時(shí)電壓、逆變電路輸出的瞬時(shí)電流及相位等方面進(jìn)行控制策略設(shè)計(jì)。交錯(cuò)反激變換器采用正弦脈寬調(diào)制控制,逆變電路采用脈寬調(diào)制控制。

4.2 程序設(shè)計(jì)

主程序可以完成系統(tǒng)的初始化及子程序的調(diào)用,對(duì)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)督與控制。主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程

系統(tǒng)控制程序通過對(duì)電壓、電流等進(jìn)行采樣,完成光伏充電功率的計(jì)算。通過計(jì)算的參數(shù)來調(diào)節(jié)正弦脈寬調(diào)制控制的占空比,以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤,提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

5 仿真驗(yàn)證

仿真時(shí),以光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬輸入的電壓波形作為仿真電路的輸入電壓,觀察仿真的輸出情況及仿真模塊的有效性。輸入在實(shí)際上是一定范圍內(nèi)波動(dòng)的電壓值,但仿真時(shí)輸入電壓僅僅是一個(gè)固定的輸入電壓值。輸出電壓仿真波形如圖6所示。

圖6 輸出電壓仿真波形

圖6表明,光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入為設(shè)計(jì)電壓時(shí),所設(shè)計(jì)的光伏逆變器實(shí)現(xiàn)了正弦電壓的輸出,輸出電壓波形良好,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性、有效性。

6 結(jié)束語

光伏發(fā)電是太陽能應(yīng)用的典型范例,光伏發(fā)電與天氣、光照、溫度、季節(jié)、地理位置等有密切關(guān)系,所產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定,輸出的電能質(zhì)量無法滿足負(fù)載直接使用的要求。為解決這一問題,科學(xué)家研制了光伏逆變器。筆者設(shè)計(jì)了一種新型光伏逆變器,對(duì)硬件設(shè)計(jì)方案、控制策略和軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹,通過計(jì)算機(jī)軟件搭建了光伏逆變器模型。仿真結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的光伏逆變器能夠輸出符合設(shè)計(jì)要求的正弦交流電,驗(yàn)證了光伏逆變器設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性、有效性。