鞏翛然，胡萬(wàn)強(qiáng)

(1.漯河路燈管理處，河南 漯河 462000； 2.許昌學(xué)院 電氣機(jī)電工程學(xué)院，河南 許昌 461000)

引言

太陽(yáng)能發(fā)電是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的一種可再生能源發(fā)電方式.由于它利用潔凈的太陽(yáng)光能，有利于環(huán)境保護(hù)，并且無(wú)可動(dòng)部件，可分散靈活配置.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)按照是否與電網(wǎng)相連分為離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與混合系統(tǒng).其中，并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，其組成主要包括太陽(yáng)電池矩陣、逆變器、控制器、使用電能的負(fù)載等[1]5.

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如果接入交流負(fù)載，就需要逆變器作為主要部件，利用其內(nèi)部功率開(kāi)關(guān)管在信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)其開(kāi)通與關(guān)斷的特性，實(shí)現(xiàn)直流電轉(zhuǎn)換成220 V單相交流電供負(fù)載使用[2]7.逆變器有多種類(lèi)型，按輸出波形可分為方波、階梯波和正弦波逆變器，其中，正弦波逆變器輸出波形最好，抗干擾、抗噪聲能力較強(qiáng)，功能完整，本文對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用正弦波電壓源型逆變器進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì).

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用正弦波電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)通常如圖1所示，主要由前級(jí)DC/DC變換器和后級(jí)DC/AC逆變器組成，其原理是根據(jù)升壓技術(shù)將低壓直流電變換成高壓直流電，然后通過(guò)逆變電路輸出220 V交流電[3]3.

1 逆變主電路設(shè)計(jì)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于逆變器在不同光照條件下正常工作時(shí)需要實(shí)時(shí)控制直流母線(xiàn)電壓，因此，要求逆變器具有更寬的直流輸入電壓范圍并保證穩(wěn)定的電壓輸出，所以本設(shè)計(jì)采用具有寬輸入電壓范圍、低載時(shí)有很高轉(zhuǎn)換效率的IGBT開(kāi)關(guān)管，在相應(yīng)的脈沖控制下產(chǎn)生通斷，從而在負(fù)載端得到所需要的工頻交流電，采用IGBT作為開(kāi)關(guān)器件的單相橋式電壓型逆變主電路如圖2所示.為了平衡輸入輸出瞬時(shí)功率差異等問(wèn)題，系統(tǒng)中通常需要并聯(lián)電解電容來(lái)解決，由于電解電容壽命短，嚴(yán)重限制了逆變器的使用壽命，因此，在整個(gè)電路設(shè)計(jì)中使用長(zhǎng)壽命的薄膜電容代替電解電容[4]47-49.

圖1 逆變器結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 逆變主電路

圖2中負(fù)載為阻感負(fù)載，工作時(shí)V1和V2或通或斷，其工作狀態(tài)互相補(bǔ)充，V3和V4工作狀態(tài)與V1和V2類(lèi)似.控制過(guò)程如下：在輸出電壓U0的正半周，V1接通，V2斷開(kāi)，V3和V4互相交替通斷.由于通過(guò)負(fù)載的電流比輸出電壓滯后，因此在電壓正半周，有一段區(qū)間內(nèi)，負(fù)載電流為正值.這時(shí)，當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時(shí)，U0與電壓Ud相等；如果V4關(guān)斷，則U0=0. 在另一段區(qū)間內(nèi)，負(fù)載電流為負(fù)，當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時(shí)，因i0為負(fù)，故U0=Ud，如果V3打開(kāi)，V4斷開(kāi)，則i0經(jīng)過(guò)V3和VD1，此時(shí)U0仍然為零.因此，U0總能得到Ud和零這兩種電平，同樣，在U0負(fù)半周，U0則得到 -Ud和零.

圖3為控制V3和V4通斷示意圖，Ur為正弦波調(diào)制信號(hào)，在其正、負(fù)半周，載波Uc為鋸齒波，且極性相反，IGBT的通斷由Ur和Uc的交點(diǎn)控制.在Ur正半周，V1接通，V2斷開(kāi)，當(dāng)Ur>Uc時(shí)V4接通，V3斷開(kāi)，U0=Ud；否則，V3接通，V4斷開(kāi)，此時(shí)U0值為零.以此類(lèi)推，在Ur負(fù)半周, V1保持?jǐn)鄳B(tài), V2保持通態(tài),當(dāng)UrUc時(shí)，使V3關(guān)斷, V4導(dǎo)通，U0=0，這樣，就得出PWM波形U0.

圖3 單極性PWM控制波形

圖4 雙極性PWM波形控制方式

如圖4所示，在Ur的一個(gè)周期內(nèi)，輸出的PWM波只有±Ud兩種電平，在Ur的正負(fù)半周，各元件的控制規(guī)律和單極性相同，即當(dāng)Ur>Uc時(shí)，給V1和V4導(dǎo)通信號(hào)，給V2和V3關(guān)斷信號(hào)，這時(shí)如i0>0，則V1和 V4通，如i0<0，則VD1和VD4通，不管哪種情況輸出電壓U0=Ud.當(dāng)Ur

2 DC/DC控制電路設(shè)計(jì)

在本文中，PWM采用控制芯片SG3525，該芯片基本性能和工作過(guò)程參照徐東生文章《基于SG3525A的太陽(yáng)能逆變電源設(shè)計(jì)》[5]116，內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動(dòng)控制電路、PWM鎖存器，并有過(guò)流保護(hù)功能，且頻率可調(diào).該芯片含有2個(gè)引腳，其中11、14引腳相位差為180°，分別引出一條線(xiàn)與變壓器相連接，它們之間的電容起阻斷直流的作用，可產(chǎn)生4組控制信號(hào)來(lái)分別控制開(kāi)關(guān)管V1、V2、V3和V4的通斷，這樣就在負(fù)載端得到所需要的工頻交流電.控制信號(hào)的來(lái)源是由ICL8038所產(chǎn)生的正弦波、SG3525自身產(chǎn)生的鋸齒波并與SG3525內(nèi)部硬件電路共同產(chǎn)生.用SG3525產(chǎn)生的控制信號(hào)的硬件電路如圖5所示.

圖5 DC/DC控制電路

3 DC/AC控制電路設(shè)計(jì)

DC/AC控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，核心器件為T(mén)MS320F240，主要由電壓和電流檢測(cè)電路等組成，電壓和電流檢測(cè)電路主要通過(guò)比較器電路，將正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成TMS320F240可以識(shí)別的TTL電平信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)電壓信號(hào)同相.電流測(cè)量主要是使用CSM300LT電流傳感器，使其在電隔離情況下測(cè)量電流，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后送入到TMS320F240芯片.

圖6 DC/AC控制電路

4 正弦波產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的正弦波的產(chǎn)生是由芯片ICL8038來(lái)完成的[6]7-8，其電路如圖7所示.

圖7 正弦波產(chǎn)生電路

ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器，可用單電源供電，即將引腳11接地，引腳6接+VCC，VCC為10 V～30 V外電源；也可雙電源供電，即將引腳11接-VEE，引腳6接+VCC，其值范圍為 ±5 V～±15 V.頻率的可調(diào)范圍為：0.01 Hz～300 kHz.為了進(jìn)一步減小正弦波的失真度，本設(shè)計(jì)中將2個(gè)100 kΩ的電位器和2個(gè)10 kΩ的電阻組成一個(gè)電路，通過(guò)調(diào)整它們可使正弦波的失真度減小到0.5%，通過(guò)調(diào)整Rw2可使電路振蕩頻率最大值與最小值之比達(dá)到100∶1.

5 主電路開(kāi)關(guān)管的參數(shù)設(shè)計(jì)

逆變器開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz，器件工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且屬于低壓大電流情況，IGBT器件的開(kāi)關(guān)速度和電流拖尾現(xiàn)象使它不適合該應(yīng)用場(chǎng)合，因此逆變器中變壓器選用功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管作為主開(kāi)關(guān).

全橋4個(gè)管子在正常工作狀態(tài)時(shí)承受的最大電壓為U1max,即50 V，電流指標(biāo)計(jì)算如下：

在分析電路損耗的時(shí)候，發(fā)覺(jué)管子的導(dǎo)通損耗占了較大比重，所以選擇了導(dǎo)通電阻小、額定電流大的管子.本電路最終選用了美國(guó)快捷公司的FSAM20SL60 IGBT管，其額定電流20 A、耐壓60 V，較同類(lèi)器件成本降低40%，外型尺寸減小近30%.

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

為了驗(yàn)證上述光伏逆變器設(shè)計(jì)的正確性，制作了一臺(tái)逆變器電路板，如圖8所示. 帶阻性負(fù)載時(shí)輸出電壓波形如圖9所示，可以看出，輸出電壓約為230 V，諧波含量小于3%，頻率為50 Hz，波形光滑，無(wú)毛刺，可以為供給設(shè)備作交流電用.實(shí)測(cè)在輸出功率為100 W時(shí)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95.6%，完全適用于民用，有著很好的推廣前景.

圖8 逆變器電路板

圖9 輸出電壓波形

本文根據(jù)光伏逆變器的特點(diǎn)，利用關(guān)鍵器件TMS320F240、SG3525、ICL8038，進(jìn)行逆變器的研究和設(shè)計(jì).該系統(tǒng)的基本功能比較完善，成本較低，開(kāi)發(fā)周期較短，適合于市場(chǎng)推廣.