一種高效率光伏逆變器的實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)世勝，王藝臻

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158）

一種高效率光伏逆變器的實(shí)驗(yàn)研究

嚴(yán)世勝，王藝臻

（海南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?571158）

以單相正弦波驅(qū)動(dòng)模塊EGS002為核心器件，研究一種采用直流324～408V供電的高效率光伏逆變器.介紹了該光伏逆變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和單極性脈寬調(diào)制原理，對(duì)模塊電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析.實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的光伏逆變器輸出220V/50Hz交流電，轉(zhuǎn)換效率大于98%，輸出正弦波穩(wěn)定，總諧波失真較小、工作性能可靠，還具有過壓、欠壓、過流和過熱保護(hù)等功能.

逆變器；正弦波脈寬調(diào)制；光伏；高效率

隨著石油、天然氣和煤三大傳統(tǒng)能源的不斷減少，太陽(yáng)能對(duì)緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)有非常重要的意義.在太陽(yáng)能應(yīng)用中，光伏發(fā)電技術(shù)是解決能源危機(jī)的重要手段之一，其未來(lái)前景獨(dú)特有無(wú)窮的潛力[1].光伏逆變器作為光伏應(yīng)用系統(tǒng)中的重要組成部分，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了快速的發(fā)展.

在我國(guó)，由于光伏逆變器的研究起步較晚，所生產(chǎn)的光伏逆變器在性能穩(wěn)定性和效率等參數(shù)跟國(guó)外的光伏企業(yè)相比仍有一定的距離.中、大功率的光伏逆變器轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到95%以上，但小功率的光伏逆變器一般只有85%左右，這種逆變器通常采用DC/ DC高頻升壓變換電路和H橋DC/AC逆變電路組成[2-3].為了最大限度地利用光伏電池，必須提高光伏逆變器的轉(zhuǎn)換效率.本方案采用多塊光伏電池串聯(lián)，得到一個(gè)合適的直流電壓，然后進(jìn)行多組并聯(lián)后得到合適的功率再輸入到光伏逆變器，并在光伏逆變器中使用正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）技術(shù)，其逆變器的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到98%以上.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的是基于SPWM技術(shù)的光伏逆變器，如圖1所示.逆變器主要由DC/AC逆變主電路、LC濾波器、SPWM控制電路和DC/DC降壓變換器等組成.

圖1 光伏逆變器電路原理框圖Fig.1 Circuit theory block diagram of photovoltaic inverter

系統(tǒng)中的光伏電池陣列由江蘇輝強(qiáng)光伏科技有限公司生產(chǎn)的30塊單晶硅電池組件串聯(lián)構(gòu)成，組件型號(hào)為HQ030M，光伏電池組件和光伏陣列的主要參數(shù)見表1.蓄電池選用雷諾士電子有限公司生產(chǎn)的30個(gè)12 V/17Ah鉛酸密封免維護(hù)電池串聯(lián)組成.由于蓄電池組的過充、過放電壓分別設(shè)置為408V和324V，所以輸入到光伏逆變器的電壓范圍為324～408V.

表1 光伏電池組件和光伏陣列的主要參數(shù)Tab.1 Major parameter of photovoltaic battery pack and photovoltaic array

1.2 SPWM脈寬調(diào)制逆變?cè)?/p>

在光伏逆變工程中普遍采用SPWM，它是依據(jù)沖量相等效果基本相同的原理，這些脈寬不等而幅度相等的脈沖波與正弦波是等效的.通常SPWM是利用三角波和正弦波的交叉點(diǎn)作為逆變電源的開關(guān)控制信號(hào)，有單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種[4-5]，圖2為單極性調(diào)制波.

圖2 單極性脈寬調(diào)制原理Fig.2The mechanism of unipolar pulse width modulation

由于圖2中SPWM序列為奇函數(shù)，負(fù)載得到的是單極性正脈沖和負(fù)脈沖，其傅里葉級(jí)數(shù)不含余弦項(xiàng)，即

n為基波和各次諧波總次數(shù)，ak為[0，π/2]區(qū)間內(nèi)的N個(gè)開關(guān)角中的第k個(gè).因此，光伏逆變器輸出電壓波形的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為[6]

由于正弦波的頻率為固定的50 Hz，載波的頻率為21.4 kHz，所以輸出的SPWM波經(jīng)過LC濾波后就可以得到光滑的正弦波.

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 DC/AC逆變主電路

DC/AC逆變主電路是光伏逆變器重要的組成部分，主要由功率MOSFET管Q2～Q5，柵極電阻R3～R10，康銅絲電阻R11，二極管D1～D4，LC濾波電路L1和C2；光伏逆變器電源開關(guān)K1；熔絲管F1等組成，如圖3所示.R3～R6用來(lái)防止MOSFET管Q2～Q5寄生振蕩，D1～D4用來(lái)提高M(jìn)OSFET管的開關(guān)速度，R11為電流采樣電阻.

該逆變器采用單極性SPWM，右上橋臂Q3和右下橋臂Q5工作在基波頻率50Hz，左上橋臂Q2和左下橋臂Q4工作在載波頻率約21.4kHz.當(dāng)電路工作在正半周時(shí)，右上橋臂Q3導(dǎo)通，左下橋臂Q4按正弦波規(guī)律的脈沖寬度時(shí)通時(shí)斷地工作，Q2和Q5截止.而當(dāng)電路工作在負(fù)半周時(shí)，右下橋臂Q5導(dǎo)通，左上橋臂Q2按正弦波規(guī)律的脈沖寬度時(shí)通時(shí)斷地工作，Q3和Q4截止.輸出正弦波規(guī)律的脈沖波經(jīng)過LC濾波器濾波后，就可得到平滑的正弦波.L1可采用Φ0.8mm的漆包線在磁導(dǎo)率為125的鐵硅鋁磁環(huán)上約繞124匝，C2為聚酯電容器[7-8].

2.2 SPWM控制電路

SPWM控制電路選用屹晶微電子公司生產(chǎn)的EGS002模塊，模塊的引腳功能如圖3中的U1所示.該模塊是一款專門用于單相純正弦波逆變器的控制和驅(qū)動(dòng)，控制芯片采用EG8010，驅(qū)動(dòng)芯片采用IR2110S.模塊上集成了過壓、欠壓、過流、溫度保護(hù)以及風(fēng)扇控制等功能，并可通過跳線設(shè)置50Hz/60Hz輸出[9].

模塊U1采用+5 V和+12 V雙電源供電，從V 2和V 3輸入，功耗約為134.8 mW；第1腳為輸出電流反饋輸入端，當(dāng)輸入電壓大于0.5 V時(shí)啟動(dòng)過流保護(hù)；第2、4、7和13腳為接地端；第3、6腳分別為右橋臂下管和上管驅(qū)動(dòng)輸出端，輸出50Hz基波；第8、10腳分別為左橋臂下管和上管驅(qū)動(dòng)輸出端，輸出21.4 kHz調(diào)制波；第5、9腳分別為右橋臂和左橋臂上下功率MOS管中心點(diǎn)輸出端；第15腳為輸出電壓反饋輸入端，輸出電壓經(jīng)R12、R13、R14和VR1分壓后反饋到第15腳，VR1用于改變正弦波輸出電壓的大?。坏?6腳為溫度反饋輸入端，熱敏電阻RT1和電阻R1組成一個(gè)簡(jiǎn)單的分壓電路，分壓值隨著溫度變化而變化，當(dāng)分壓值大于4.3 V時(shí)進(jìn)入過熱保護(hù)狀態(tài)；第17腳為外接散熱風(fēng)扇控制端，當(dāng)系統(tǒng)溫度高于45℃時(shí)輸出高電平，三極管Q1導(dǎo)通風(fēng)扇FA1運(yùn)轉(zhuǎn)，而當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)后溫度低于40℃時(shí)輸出低電平，三極管Q1截止風(fēng)扇停止.

圖3 DC/AC逆變電路Fig.3 DC/AC inverter circuit

2.3 DC/DC降壓變換器

DC/DC降壓變換器是為SPWM控制電路提供工作電源，由THX202構(gòu)成反激式非隔離開關(guān)電源，其待機(jī)功耗小于0.25 W，在直流120～420 V的寬電壓范圍內(nèi)提供5 W的連續(xù)輸出功率，能滿足SPWM控制電路供電的要求.主要作用是將母線上的直流電壓V1變換為穩(wěn)定的+5 V和+12 V直流電壓，由V2和 V3端輸出，如圖4所示.

圖4中，U2為單片開關(guān)電源芯片，具有防過載、過熱和輸出短路保護(hù)等功能；C5為輸入電壓濾波電容；R15為啟動(dòng)電阻；C8為定時(shí)電容，當(dāng)取值為330 pF時(shí)，開關(guān)頻率為66 kHz；C9為反饋電容，容量選擇過大時(shí)輸出動(dòng)態(tài)特性較差，過小時(shí)則峰值輸出功率波紋較大，取值一般在0.01～0.047 μF比較合適；C6、R16和D5組成鉗位保護(hù)電路；D8、DZ1和C16組成穩(wěn)壓電路，為U2提供6.9 V工作電壓；D6、D7為肖特基二極管；T1為脈沖變壓器，采用EE16磁芯，N1用0.13 mm漆包線密繞191匝，N2、N3用0.3 mm漆包線分別均繞21匝和24匝；U3、U4分別為+12 V和+5 V單端穩(wěn)壓芯片；C10～C15為濾波電容[10].

圖4 DC/DC降壓變換器Fig.4DC/AC buck converter

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)了一臺(tái)300 VA的光伏逆變器樣機(jī)，在不同負(fù)載下實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)如表2所示，測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)散熱風(fēng)扇未啟動(dòng).由表2可知，該逆變器的空載功耗為5.54 W，在額定負(fù)載下轉(zhuǎn)換效率大于98%.散熱風(fēng)扇一般在半載以上長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)才會(huì)啟動(dòng)，對(duì)輸出效率的影響很小.輸出交流電壓范圍為220 V±5%，頻率范圍為50Hz±0.5%，總諧波失真THD小于2.32%.圖5為負(fù)載功率298.82 W時(shí)的輸出電壓波形，從圖中可看出正弦波的質(zhì)量較好，諧波較小.

表2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2Experimental measuring data

圖5 光伏逆變器樣機(jī)輸出波形Fig.5Output waveform of photovoltaic inverter model machine

4 結(jié)論

介紹了光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和SPWM脈寬調(diào)制逆變?cè)?，詳?xì)分析DC/AC逆變主電路、SPWM控制電路和DC/DC降壓變換器的電路結(jié)構(gòu)和工作過程.該逆變器無(wú)升壓電路，直接采用光伏電池串聯(lián)后得到的直流電壓供電.樣機(jī)測(cè)試表明，逆變器輸出220 V/ 50Hz交流電，轉(zhuǎn)換效率高，輸出正弦波穩(wěn)定，總諧波失真較小，性能參數(shù)符合光伏逆變器要求，可廣泛應(yīng)用于需要交流電的光伏系統(tǒng)中.

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責(zé)任編輯：黃 瀾

Experimental Study on High Efficiency Photovoltaic Inverter

YAN Shisheng，WANG Yizhen
（College of Physical and Electrical Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

This paper takes single-phase sine wave drive module EGS002 as a core component to study a high efficiency photovoltaic inverter,which adopts power supply of DC 324-408 V.Structure and unipolar pulse width modulation of the photovoltaic inverter system,and the modular circuit are specified.The experimental test shows that the photovoltaic inverter outputs alternating current of 220 V/50 Hz;its conversion efficiency is greater than 98%;its output sine wave is stable;its to?tal harmonic distortion is relatively small and its working performance is reliable.It also has the functions of overvoltage pro?tection,undervoltage protection,overcurrent protection and overtemperature protection.

inverter；SPWM；photovoltaic；high efficiency

TM 464

：A

：1674-4942（2015）01-0037-04

2014-12-02