光伏發(fā)電逆變電路的設計與研究

0   引言

近幾年來(lái)，光伏發(fā)電作為一種重要形式在太陽(yáng)能利用方面于世界得到了迅速的發(fā)展^[1]，隨著(zhù)不斷的研究，我國新能源光伏發(fā)電企業(yè)規模不斷增多，新能源光伏發(fā)電逆變器的需求猛增。因此，高性能逆變器是光伏發(fā)電系統技術(shù)開(kāi)發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，提高逆變器的轉換效率對于日常節能很重要^[2]，光伏發(fā)電系統中使用的元器件是新能源技術(shù)、電力電子、單片機控制等多種技術(shù)有機結合的產(chǎn)物。

隨著(zhù)全球能源問(wèn)題的不斷加劇以及電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，大功率光伏逆變器作為經(jīng)濟高效的綠色可再生能源器件得到了廣泛應用，普遍使用的IGBT。IGCT等開(kāi)關(guān)器件的容量等級也在不斷提高。為了進(jìn)行可靠的電能轉換，其開(kāi)通與關(guān)斷必須安全可靠，這是逆變器系統穩定運行的先決條件^[3-6]。

伴隨著(zhù)調制的操作，直流母線(xiàn)中的電壓會(huì )發(fā)生范圍的變化，導致開(kāi)關(guān)管需要承受更大的電壓應力。此外，升壓電感電流會(huì )由于占空比呈現正弦規律變化，產(chǎn)生較為明顯的低頻波紋分量，運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生電流應力，導致通態(tài)消耗尤為嚴重^[7]。 而現在，伴隨越來(lái)越多的分布式電源接入配電網(wǎng)，電能質(zhì)量成為了一個(gè)大問(wèn)題^[8]。

為了有效利用分布式電源并滿(mǎn)足標準電能質(zhì)量要求，多功能逆變器受到廣泛關(guān)注。光伏等分布式能源得到了前所未有的發(fā)展^[8-9]。

目前我們已知的有3 種技術(shù)路線(xiàn)來(lái)解決效率問(wèn)題：

①采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以及多電平電氣拓撲；

②采用空間矢量脈寬調制等控制方式來(lái)降低其損耗；

③采用碳化硅材料的元器件，降低器件的內阻。

為解決上述問(wèn)題，我們采用keil5以及MATLAB對光伏發(fā)電逆變電路的仿真，以證明其可行性。

1   基本原理和設計思路

1.1 基本原理

通過(guò)直流濾波電路，把光伏電路產(chǎn)生的直流電去除電磁干擾和電流波動(dòng)，然后通入逆變電路，直流電通過(guò)逆變后轉換為交流電，之后通過(guò)整流將不規則的交流電整流為正弦波交流電，由輸出端的濾波電路濾除逆變過(guò)程產(chǎn)生的高頻干擾信號，最后供應負載或是并入電網(wǎng)。

圖1 工作原理圖

1.2 逆變器的損耗

逆變器的損耗、影響因素以及采取措施如表1 所示。

表1 器件損耗

以IGBT( 絕緣柵雙極型晶體管）為代表的功率器件是新能源車(chē)芯片價(jià)值量最高的。光伏逆變器，新能源車(chē)都大量使用IGBT。隨著(zhù)光伏裝機量的持續增長(cháng)，以及新能源車(chē)滲透率的提升，IGBT 行業(yè)持續發(fā)展迅速。

1.3 設計思路

首先通過(guò)定時(shí)器使51 單片機系統生成SPWM 調制控制信號，然后通過(guò)IR2110 驅動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路中IGBT 器件的開(kāi)通和關(guān)斷，將直流電逆變成交流電，最終采用LC 低通濾波器消除DC-AC 的變換過(guò)程中存在的多次諧波的問(wèn)題。

單相全橋逆變電路又被稱(chēng)為“H 橋”電路，其構成為四個(gè)功率開(kāi)關(guān)關(guān)以及驅動(dòng)輔助電路，在工作過(guò)程中，Q2與Q3通斷互補，Q1和Q4通斷互補。H 橋逆變電路的原理圖與其輸出電壓波形如圖2所示。

圖2 H橋逆變電路與其輸出電壓波形

2   系統硬件設計

2.1 IR2110電路

在功率變換裝置中，根據主電路的結構，起功率開(kāi)關(guān)器件一般采用隔離驅動(dòng)和直接驅動(dòng)兩種方式。兼有電磁隔離和光耦隔離的優(yōu)點(diǎn)，在中小功率變換裝置中驅動(dòng)器件是最優(yōu)選。

圖3 IR2110內部功能圖

IR2110 內部功能由輸出到輸入由3 部分組成：輸出保護，電平平移及邏輯輸入。IR2110 有很多特點(diǎn)，比如說(shuō)可以極大地減少驅動(dòng)電源的數目，一組電源即可實(shí)現對上下端的控制，為裝置的設計帶來(lái)很多方便。

2.2 LC濾波電路的設計

圖4 濾波電路

LC 濾波器具有運行可靠性較高、運行費用較低等優(yōu)點(diǎn)、結構簡(jiǎn)單，應用很廣泛。其直流損耗小，電感的電阻小。對交流電的濾波效果好，感抗大。LC 濾波電路如圖4 所示。

輸出濾波電容的容量為：

輸出濾波電感量為：

2.3 PWM控制基本原理

用示波器測試單片機產(chǎn)生的SPWM 信號以及其波形。

由于對開(kāi)關(guān)器件通斷控制的規律不同，單相橋式電路既可采取單極性調制，也可采用雙極性調制如表2所示，它們的輸出波形也有很大的區別，如圖5和圖6。

表2 單極性spwm與雙極性spwm的特點(diǎn)

圖6 雙極性PWM波形

圖5 單極性PWM波形

2.5 逆變電路原理圖

逆變電路的工作原理是：首先逆變電路是由直流電轉換為交流電的過(guò)程，濾波電路濾除不需要的信號。原理圖如圖7所示。

3   系統軟件設計

3.1 產(chǎn)生PWM信號流程

定時(shí)器原理：這種方法的基本原理是使引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平，對T₁ 或T₀ 設置計數初始值并運行，使之經(jīng)過(guò)時(shí)間t₁ 后產(chǎn)生定時(shí)中斷；在中斷服務(wù)函數中將引腳設置為高電平，對定時(shí)器/ 計數器設置另一個(gè)計數初始值，經(jīng)過(guò)時(shí)間t₂ 后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)函數中將引腳設置為低電平，對定時(shí)器/ 計數器設置低電平維持所需的計數初始值，如此循環(huán)往復，就產(chǎn)生一個(gè)高電平時(shí)間為t₂、周期為（t₁+t₂）的矩形波。

3.2 中斷程序代碼

依據定時(shí)器的原理，在keil5 軟件中通過(guò)C 語(yǔ)言編寫(xiě)代碼，其中部分波形中斷和顯示波形的代碼如下：

#include“reg52.h”

typedef unsigned char uchar;

sbit P1_0=P1^0;

uchar time=0;

uchar period=25;

uchar high=5;

void timer0() interrupt 1 using 1

{

TR0=0x3c;/* 定時(shí)器初值重裝載*/

TL0=0xb0;

time++;

if(time==high)

{P1_0=0;}

else if(time==period)/* 周期時(shí)間到，變高*/

time=0;

P1_0=1;

}

}

void main()

{

TMOD=0x01; /* 定時(shí)器0 方式1*/

TR0=0x3c; /* 定時(shí)器裝載初值*/

TL0=0xb0;

EA=1; /* 開(kāi)CPU 中斷*/

ET0=1; /* 開(kāi)定時(shí)器0 中斷*/

TR0=1; /* 啟動(dòng)定時(shí)器*/

while(1) /* 等待中斷*/

{}

}

圖8 中斷流程圖

4   仿真測試與結果

4.1 程序設計以及示波器輸出波形展示

用I/O 口采用軟件定時(shí)器中斷可以模擬PWM 輸出。我們使用 keil5 或者keil4 軟件來(lái)編程燒入單片機，通過(guò)單片機中的定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生晶振，在P1.0 引腳上輸出周期為2.5 s，占空比為20% 的脈沖信號。如圖9 所示。圖9 展示的為程序燒入51 單片機開(kāi)發(fā)板后，用示波器測試的P1.0 口的輸出波形，可明顯看出輸出方波的占空比是20％。

圖9 產(chǎn)生脈沖圖

4.2 仿真模型的搭建

首先由控制信號推動(dòng)功率管（不斷開(kāi)關(guān)) 使高頻變壓器產(chǎn)生低壓的高頻交流電。然后通過(guò)高頻變壓器輸出高頻交流電，再然后經(jīng)過(guò)快速地恢復二極管全橋整流輸出一個(gè)高頻的幾百伏特的直流電到后級功率管，最后由后級產(chǎn)生輸出電壓，MATLAB仿真模型搭建如圖10。

圖10 MATLAB仿真圖

4.3 系統調試使用的儀器設備

我們所使用的設備如表3所示。

表3 儀器設備

4.5 輸出電流與電壓的波形

輸出波形如圖11所示。

圖11 輸出波形圖

4.6 輸入輸出電壓表

輸出交流電的頻率可以通過(guò)改變觸發(fā)脈沖控制信號來(lái)改變，如圖表4 所示。

表4  測試數據   （V）

5   結束語(yǔ)

本課題由單片機、逆變電路、IR2110 驅動(dòng)電路、LC濾波電路等組成的新能源光伏發(fā)電逆變電源基本實(shí)現了光能產(chǎn)生的直流向交流的轉換。此外，在研究課題的過(guò)程中，我們還使用了MATLAB 中的simulink 仿真，將程序燒入單片機，通過(guò)示波器測試某一端口的輸出波形，另外還有PROTEUS 仿真，這些工具讓我們想法得到及時(shí)的試驗與調整。在做simulink 仿真時(shí)我們發(fā)現，當輸入電壓比較小時(shí)，逆變后得到的交流電平均幅值達不到我們所設定的2倍的關(guān)系，而當輸入直流電壓逐步上升后，輸出交流電壓幅值趨向于2倍的關(guān)系。我們還做了一些其他的仿真實(shí)驗，但是由于制作實(shí)物時(shí)間，專(zhuān)業(yè)水平以及實(shí)驗環(huán)境的影響，我們沒(méi)有完成完整的實(shí)體電路，多電平供電沒(méi)有應用充分，這些方面內容還有待完善。

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年12月期）