光伏逆變器的設計與安裝維護

　　通常，把將交流電能變換成直流電能的過(guò)程稱(chēng)為整流，把完成整流功能的電路稱(chēng)為整流電路，把實(shí)現整流過(guò)程的裝置稱(chēng)為整流設備或整流器。與之相對應，把將直流電能變換成交流電能的過(guò)程稱(chēng)為逆變，把完成逆變功能的電路稱(chēng)為逆變電路，把實(shí)現逆變過(guò)程的裝置稱(chēng)為逆變設備或逆變器。

　　逆變器又稱(chēng)電源調整器，根據逆變器在光伏發(fā)電系統中的用途可分為獨立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據波形調制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對于用于并網(wǎng)系統的逆變器，根據有無(wú)變壓器又可分為變壓器型逆變器和無(wú)變變壓器型逆變器。

　　如上所述，逆變器有多種類(lèi)型，因此在選擇機種和容量時(shí)需特別注意。尤其在太陽(yáng)能發(fā)電系統中，逆變器效率的高低是決定太陽(yáng)能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。

　　光伏逆變器的設計方案

　　基于光伏并網(wǎng)逆變器的基本原理和控制策略，設計了并網(wǎng)型逆變器的結構，其采用了內置高頻變壓器的前后兩級結構，即前級DC/DC高頻升壓，后級DC/AC工頻逆變。該設計模式具有電路簡(jiǎn)單、性能穩定、轉換效率高等優(yōu)點(diǎn)。

　　在能源日益緊張的今天，光伏發(fā)電技術(shù)越來(lái)越受到重視。太陽(yáng)能電池和風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)生的直流電需要經(jīng)過(guò)逆變器逆變并達到規定要求才能并網(wǎng)，因此逆變器的設計關(guān)乎到光伏系統是否合理、高效、經(jīng)濟的運行。

　　1、光伏逆變器的原理結構

　　光伏并網(wǎng)逆變器的結構如圖1所示，主要由前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器構成。其基本原理是通過(guò)高頻變換技術(shù)將低壓直流電變成高壓直流電，然后通過(guò)工頻逆變電路得到220V交流電。這種結構具有電路簡(jiǎn)單、逆變電源空載損耗很小、輸出功率大、逆變效率高、穩定性好、失真度小等優(yōu)點(diǎn)。

　　逆變器主電路如圖2所示。DC/DC模塊的控制使用SG3525芯片。SG3525是雙端輸出式SPWM脈寬調制芯片，產(chǎn)生占空比可變的PWM波形用于驅動(dòng)晶閘管的門(mén)極來(lái)控制晶閘管通斷，從而達到控制輸出波形的目的。

　　作為并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵模塊，DC/AC模塊具有更高的控制要求，本設計采用TI公司的TMS320F240作為主控芯片，用于采集電網(wǎng)同步信號、交流輸入電壓信號、調節IGBT門(mén)極驅動(dòng)電路脈沖頻率，通過(guò)基于DSP芯片的軟件鎖相環(huán)控制技術(shù)，完成對并網(wǎng)電流的頻率、相位控制，使輸出電壓滿(mǎn)足與電網(wǎng)電壓的同頻、同相關(guān)系。

　　濾波采用二階帶通濾波器，是有源濾波器的一種，用于傳輸有用頻段的信號，抑制或衰減無(wú)用頻段的信號。其可以有效地濾除逆變后產(chǎn)生的高頻干擾波形，使逆變后的電壓波形達到并網(wǎng)的要求。

　　2、DC/DC控制模塊

　　SG3525是專(zhuān)用于驅動(dòng)N溝道功率MOSFET的PWM控制芯片。SG3525的輸出驅動(dòng)為推拉輸出形式，可直接驅動(dòng)MOS管；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，具有過(guò)流保護功能，頻率可調，同時(shí)能限制最大占空比。其2個(gè)輸出分別接2個(gè)MOS管控制其開(kāi)斷，為了提高對推挽式DC/DC高頻升壓過(guò)程有效的控制，提高頻寬調制的準確性，相應設計了檢測電路，檢測輸出電流、電壓，然后反饋到控制芯片。檢測電路包括偏磁檢測電路、電壓反饋采樣電路、電流反饋采樣電路。SG3525控制模塊結構如圖3.

　　3、DC/AC控制模塊

　　3.1 TMS320F240控制核心

　　TMS320F240是美國TI公司的定點(diǎn)式數字信號處理器芯片，硬件架構以16位為基本數據處理單元，它集成了高性能DSP內核，并且有著(zhù)豐富的外設功能，處理速度快。DSP系統的外圍電路包括時(shí)鐘電路、復位電路、電源電路等，配合各種信號檢測電路、驅動(dòng)電路，以達到對逆變系統的波形控制、脈寬調制、故障保護等要求，其結構圖如圖4.

　　3.2電壓和電流檢測電路

　?。?）電網(wǎng)電壓過(guò)零檢測電路

　　逆變后交流電的電壓必須與電網(wǎng)電壓同相、同頻才能并網(wǎng)，因此要對輸出電壓進(jìn)行鎖相控制。由于輸出的電壓信號為正弦波，而控制芯片只能識別TTL電平信號，因此需要一個(gè)電路將正弦波信號轉換為控制芯片可以識別的TTL電平信號。本設計中用LV25P電壓傳感器，將電網(wǎng)電壓采集并轉換成與電網(wǎng)電壓等相位的低電壓脈沖信號，經(jīng)過(guò)一組比較器電路，可以輸出一組與電網(wǎng)電壓同相的低壓方波信號。當被檢測的電網(wǎng)電壓超過(guò)零點(diǎn)，則輸出高電平。電網(wǎng)電壓過(guò)零檢測電路如圖5所示。

　　電網(wǎng)電壓過(guò)零檢測電路得到的方波信號，經(jīng)過(guò)雙施密特反相電路將信號送到DSP芯片的捕獲引腳上，捕獲單元在檢測到上升沿時(shí)觸發(fā)中斷，進(jìn)行鎖相。

　?。?）交流電流檢測電路

　　交流電流檢測電路使用CSM300LT閉環(huán)式電流傳感器，如圖6.CSM300LT是應用霍爾效應閉環(huán)原理的電流傳感器，在電隔離條件下測量交流電流。當交流電通過(guò)傳感器時(shí)，傳感器將電流信號轉換成電壓信號送給信號調理電路，經(jīng)處理后輸入到DSP芯片的管腳。調理電路由RC濾波電路和二組集成運放隔離電路組成。

　　4、輔助電源

　　逆變器的控制電路、信號采集電路及開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)電路等需要不同的適應電源，因此需要一個(gè)獨立的電源為其供電。所設計輔助電源輸出的電壓分別為＋15V、－15V、＋5V三種，采用單端反激式DC/DC拓撲結構，運行穩定、可靠，輔助電源電路的基本電路如圖7所示。

　　5、有源濾波

　　有源濾波采用二階帶通濾波器，它是由運算放大器和阻容元件組成的一種選頻網(wǎng)絡(luò )，用來(lái)濾除逆變過(guò)程中產(chǎn)生的高次諧波，其原理是通過(guò)設置電路參數允許某一個(gè)通頻帶范圍內的信號通過(guò)，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，如圖8.

　　光伏發(fā)電作為新能源開(kāi)發(fā)利用的重要內容，對于解決能源和環(huán)境問(wèn)題，有著(zhù)深遠的意義。逆變器是光伏發(fā)電過(guò)程中的重要環(huán)節。文中對逆變系統的拓撲結構進(jìn)行了研究，設計了以高頻升壓和全橋逆變?yōu)橥負浣Y構的逆變系統，再配合有源濾波，為太陽(yáng)能的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用起到一定的作用。

　　光伏逆變器的安裝維護

　　1、在安裝前首先應該檢查逆變器是否在運輸過(guò)程中有無(wú)損壞。

　　2、在選擇安裝場(chǎng)地時(shí)，應該保證周?chē)鷥葲](méi)有任何其他電力電子設備的干擾。

　　3、在進(jìn)行電氣連接之前，務(wù)必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開(kāi)直流側斷路器。暴露于陽(yáng)光，光伏陣列將會(huì )產(chǎn)生危險電壓。

　　4、所有安裝操作必須且僅由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員完成。

　　5、光伏系統發(fā)電系統中所使用線(xiàn)纜必須連接牢固，良好絕緣以及規格合適。

　　6、所有的電氣安裝必須滿(mǎn)足當地以及國家電氣標準。

　　7、僅當得到當地電力部門(mén)許可后并由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員完成所有電氣連接后才可將逆變器并網(wǎng)。

　　8、在進(jìn)行任何維修工作前，應首先斷開(kāi)逆變器與電網(wǎng)的電氣連接，然后斷開(kāi)直流側電氣連接。

　　9、等待至少5分鐘直到內部元件放電完畢方可進(jìn)行維修工作。

　　10、任何影響逆變器安全性能的故障必須立即排除方可再次開(kāi)啟逆變器。

　　11、避免不必要的電路板接觸。

　　12、遵守靜電防護規范，佩戴防靜電手環(huán)。

　　13、注意并遵守產(chǎn)品上的警告標識。

　　14、操作前初步目視檢查設備有無(wú)損壞或其它危險狀態(tài)。

　　15、注意逆變器熱表面。例如功率半導體的散熱器等，在逆變器斷電后一段時(shí)間內，仍保持較高溫度。

　　光伏逆變器的安裝流程

　　逆變器的總體安裝流程如圖所示，安裝流程說(shuō)明如表所示：

　　逆變器安裝位置的要求

　　1、勿將逆變器安裝在陽(yáng)光直射處。否則可能會(huì )導致額外的逆變器內部溫度，逆變器為保護內部元件將降額運行。甚至溫度過(guò)高引發(fā)逆變器溫度故障。

　　2、選擇安裝場(chǎng)地應足夠堅固能長(cháng)時(shí)間支撐逆變器的重量。

　　3、所選擇安裝場(chǎng)地環(huán)境溫度為-25°C~50°C，安裝環(huán)境清潔。

　　4、所選擇安裝場(chǎng)地環(huán)境濕度不超過(guò)95%，且無(wú)凝露

　　5、逆變器前方應留有足夠間隙使得易于觀(guān)察數據以及維修。

　　6、盡量安裝在遠離居民生活的地方，其運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生一些噪聲。

　　7、安裝地方確保不會(huì )晃動(dòng)。