独立式太阳能光伏逆变电源的研究

发布于：2015-09-14 13:47:14 来自：电气工程/光伏太阳能 [复制转发]

　　一、独立光伏发电系统组成

　　独立运行太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成。

　　1.1太阳能电池方阵

　　光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很小，工作电压约0.45~0.5V，工作电流20~25mA/cm2，而且是直流电，在大多数情况下很难满足实际应用的需要。为满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并成太阳能电池组件。

　　1.2蓄电池组

　　太阳能发电系统只能在日间有阳光的时候才能发电，而多数情况人们主要在夜间大量用电，所以需要存储太阳能电池方阵发出的电能并随时向负载供电。光伏系统对蓄电池组的要求是：1、自放电率低；2、使用寿命长；3、深放电能力强；4、充电效率高；5、少维护或免维护；6、工作温度范围宽；7、价格低廉。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸电池；

　　1.3控制器

　　控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理。太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，控制器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制太阳能充电，使蓄电池处于浮充状态。当蓄电池放电至接近蓄电池过放点电压时，控制器将发出蓄电池电量不足报警并切断蓄电池的放电回路，以保护蓄电池。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制器、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。

　　1.4逆变器

　　对逆变器的基本要求是：

　　1、能输出一个电压稳定、频率稳定的交流电，无论是输入电压发生波动还是负载发生变换，都要能达到一定的电压精度；

　　2、具有一定的过载能力，一般能过载125%~150%；

　　3、输出电压波形含的谐波成分应尽量少；

　　4、具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能，且具有快速的动态响应。

　　二、逆变电源基本工作原理及逆变电路设计

　　2.1逆变电源基本工作原理

　　逆变电源的拓扑结构很多，各自的工作过程不完全相同，但最基本的逆变过程是相同的。下面以最基本的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图1所示，T1，T2，T3，T4是桥式电路的4功率管，由电力电子器件及辅助电路组成。输入直流电压为Vcc，Z代表逆变器的负载。当开关T1、T4接通时，电流流过T1，Z和T4，负载上的电压极性是左正右负；当开关T1、T4断开，T2、T3接通时，电流流过T2，Z和T3，负载上的电压极性反向，把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率就可以改变输出交流电频率，得到的是正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻型时，负载电流电压波形相同，相位也相同；负载为感性时，电流滞后于电压，波形也不同。

　　2.2逆变电路设计

　　逆变电路的功能是将升压得到的高压直流电经SPWM全桥逆变，变成220V的SPWM电压，再经输出滤波电路滤波为220V、50Hz正弦交流电压输出，包括功率桥的设计、控制电路设计和保护电路设计。

　　2.2.1逆变环节的主电路

　　如图2所示为逆变环节主电路图。对输入的直流电进行SPWM调制，经过LC滤波输出，采用电压瞬时值反馈，对输出电压进行采样隔离，反馈信号送给控制芯片经过A/D变换保存，得到脉宽控制量，通过SPWM生成环节产生各功率管的开关信号，控制功率管的通断，使输出电压尽可能跟踪基准正弦给定信号。

　　2.2.2控制电路设计

　　逆变环节的任务是使直流变交流，为使交流输出电压稳定，本系统采用闭环控制，对输出电压进行采样分析，系统中CPU根据采样电压值来控制SPWM波发生器输出SPWM参数，产生SPWM波驱动逆变桥，从而得到稳定的交流电。系统CPU采用ATB9C51，SPWM波发生器采用SA838单相SPWM波发生器，功率逆变桥选用PS21865，其内部集成了驱动电路，因而外部驱动电路可以不再添加。控制电路功能包括：控制脉冲产生，交流输出稳定，保护和报警显示，电路框图如图3所示。

　　三、逆变器控制方案比较

　　光伏逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率，随着光伏发电系统的应用越来越广，人们对光伏逆变器输出电压的质量要求也越来越高，不仅要求逆变器的输出电压稳定以及工作可靠，而且要求其输出电压正弦度高。所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。

　　逆变器要实现输出纯正弦波，控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有如下几种。

　　（1）模拟控制。控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。优点是技术非常成熟，有很多可以参考的实例。但其存在很多固有的缺点：控制器的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性存在差异，致使电源一致性差，且模拟器件工作点的漂移导致系统参数漂移。逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。

　　（2）由单片机实现数字控制。为改善系统的控制性能，通过A/D转换器，将微处理器与系统相连，在位处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口（PWM）发出开关控制信号，微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。

　　（3）由DSP实现数字控制。随着大规模集成电路、现代可编程逻辑器件及数字

信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）技术的发展，逆变电源的全数字化控制成为现实。DSP能够实时地读取逆变电源的输出，并实时地计算出PWM输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，使输出谐波达到可以接受的水平。但DSP入门门槛较高，开发成本高，造价也较高。

　　结束语

　　太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国的实际利用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。充分利用这些无电地区的太阳能资源，有计划、有步骤地推广光伏技术，解决缺电地区的用电问题，促进这些地区的经济文化发展，提高人口素质，对于全国的平衡协调发展，缩小地区间差距，均具有战略与现实意义。