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光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變電源的原理與實(shí)現(xiàn)
一、前言
??? 目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽(yáng)電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽(yáng)能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)（如圖１所示）均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很維實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力 ，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。另外，光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。
二、光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求
??? 采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變電源四部分組成（并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變電源是關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源要求較高：
（１）要求具有較高的效率。由于目前太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變電源的效率。
（２）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱，過(guò)載保護(hù)等。
（３）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大， 如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。
（４）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免鐸公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。
三、逆變電源的原理與電路結(jié)構(gòu)
??? 逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流，其電路原理如圖３所示、功率晶體管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替開(kāi)通得到交流電力，若直流電壓較低，則通過(guò)交流變壓器升壓，即得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。對(duì)大容量的逆變電源，由人直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達(dá)到２２０Ｖ，在中、小容量的逆變電源中，由于直流電壓較低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必須設(shè)計(jì)升壓電路。
??? 中、小容量逆變電源一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種其主電路分別如圖3、圖４和 圖５所示，圖４所示的推挽電路，將升壓變壓器的中性抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動(dòng)感性負(fù)載的能力較差。
??? 圖３所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。調(diào)節(jié)T1和T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。四只功率晶體管的控制信號(hào)和輸出波形如圖６所示，由于該電路具有能使T2和T4共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，在T1、T4及T2、T3之間必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?！?br>??? 推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于工頻升壓變壓器體積大，效率低，價(jià)格也較貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變，可實(shí)現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級(jí)升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu)，但工作頻率均在２０ＫＨＺ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積?。亓枯p，高頻逆變后經(jīng)過(guò)高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過(guò)工頻逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變。
??? 采用該電路結(jié)構(gòu)，使逆變虬路功率密度大大提高，逆變電源的空載損耗也相應(yīng)降低，效率得到提高，該電路的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，可靠性比上述兩種電路低。
四、逆變電路的控制電路
??? 上述幾種逆變電源的主電路均需要有控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般有方波和正弱波兩種控制方式，方波輸出的逆變電 源電路簡(jiǎn)單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)民，有ＰＷＭ功能的微處理器也已問(wèn)世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。
１、方波輸出的逆變電源目前多采用脈寬調(diào)制集成電路，如ＳＧ３５２５，ＴＬ４９４等。實(shí)踐證明，采用ＳＧ３５２５集成電路，并采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)功率元件，能實(shí)現(xiàn)性能價(jià)格比較高的逆變電源，由于ＳＧ３５２５具有直接驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的能力（圖７）并具有內(nèi)部基準(zhǔn)源和運(yùn)算放大器和欠壓保護(hù)功能，因此其外圍電路很簡(jiǎn)單。
２、正弦波輸出的逆變電源控制集成電路
正弦波輸出的逆變電源，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產(chǎn)的80C196MC、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MP16以及MI－CROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73等，這些單片機(jī)均具有多路ＰＷＭ發(fā)生器，并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū)時(shí)間，采用INTEL公司80C196MC實(shí)現(xiàn)正弦波輸出的電路如圖８所示，80C196MC完成正弦波信號(hào)的發(fā)生，并檢測(cè)交流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。
五、逆變電源主電路功率器件的選擇
逆變電源的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（ＢＪＴ），功率場(chǎng)效應(yīng)管（ＭＯＳＦＥＴ），絕緣柵晶體管（ＩＧＢＴ）和可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為ＭＯＳＦＥＴ，因?yàn)椋停希樱疲牛跃哂休^低的通態(tài)壓降和較高的開(kāi)關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用ＩＧＢＴ模塊，這是因?yàn)椋停希樱疲牛噪S著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系統(tǒng)中，一般均采用ＧＴＯ作為功率元件。
一、前言
??? 目前我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是直流系統(tǒng)，即將太陽(yáng)電池發(fā)出的電能給蓄電池充電，而蓄電池直接給負(fù)載供電，如我國(guó)西北地區(qū)使用較多的太陽(yáng)能戶用照明系統(tǒng)以及遠(yuǎn)離電網(wǎng)的微波站供電系統(tǒng)（如圖１所示）均為直流系統(tǒng)。此類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，但由于負(fù)載直流電壓的不同（如１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、等），很維實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是民用電力 ，由于大多為交流負(fù)載，以直流電力供電的光伏電源很難作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。另外，光伏發(fā)電最終將實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，這就必須采用成熟，今后交流光伏發(fā)電系統(tǒng)必將成為光伏發(fā)電的主流。
二、光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求
??? 采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變電源四部分組成（并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般可省去蓄電池），而逆變電源是關(guān)鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源要求較高：
（１）要求具有較高的效率。由于目前太陽(yáng)電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽(yáng)電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變電源的效率。
（２）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無(wú)人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變電源具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過(guò)熱，過(guò)載保護(hù)等。
（３）要求直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍，由于太陽(yáng)電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對(duì)太陽(yáng)電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大， 如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在１０Ｖ～１６Ｖ之間變化，這就要求逆變電源必須在較大的直流輸入電壓范圍內(nèi)保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。
（４）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對(duì)電網(wǎng)品質(zhì)有較高的外，當(dāng)中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免鐸公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變電源輸出正弦波電流。
三、逆變電源的原理與電路結(jié)構(gòu)
??? 逆變電源將直流電轉(zhuǎn)化為交流，其電路原理如圖３所示、功率晶體管Ｔ１、Ｔ３和Ｔ２、Ｔ４交替開(kāi)通得到交流電力，若直流電壓較低，則通過(guò)交流變壓器升壓，即得到標(biāo)準(zhǔn)交流電壓和頻率。對(duì)大容量的逆變電源，由人直流母線電壓較高，交流輸出一般不需要變壓器升壓即能達(dá)到２２０Ｖ，在中、小容量的逆變電源中，由于直流電壓較低，如１２Ｖ、２４Ｖ，就必須設(shè)計(jì)升壓電路。
??? 中、小容量逆變電源一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種其主電路分別如圖3、圖４和 圖５所示，圖４所示的推挽電路，將升壓變壓器的中性抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電力，由于功率晶體管共地邊接，驅(qū)動(dòng)及控制電路簡(jiǎn)單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點(diǎn)是變壓器利用率低，帶動(dòng)感性負(fù)載的能力較差。
??? 圖３所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點(diǎn)，功率晶體管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180度。調(diào)節(jié)T1和T2的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。四只功率晶體管的控制信號(hào)和輸出波形如圖６所示，由于該電路具有能使T2和T4共同導(dǎo)通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對(duì)感性負(fù)載，輸出電壓波形也不會(huì)畸變。該電路的缺點(diǎn)是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅(qū)動(dòng)電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共同導(dǎo)通，在T1、T4及T2、T3之間必須設(shè)計(jì)先關(guān)斷后導(dǎo)通電路，即必須設(shè)置死區(qū)時(shí)間，其電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜?！?br>??? 推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，由于工頻升壓變壓器體積大，效率低，價(jià)格也較貴，隨著電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)逆變，可實(shí)現(xiàn)高功率密度逆變，這種逆變電路的前級(jí)升壓電路采用推挽結(jié)構(gòu)，但工作頻率均在２０ＫＨＺ以上，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積?。亓枯p，高頻逆變后經(jīng)過(guò)高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在３００Ｖ以上）再通過(guò)工頻逆變電路實(shí)現(xiàn)逆變。
??? 采用該電路結(jié)構(gòu)，使逆變虬路功率密度大大提高，逆變電源的空載損耗也相應(yīng)降低，效率得到提高，該電路的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，可靠性比上述兩種電路低。
四、逆變電路的控制電路
??? 上述幾種逆變電源的主電路均需要有控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，一般有方波和正弱波兩種控制方式，方波輸出的逆變電 源電路簡(jiǎn)單，成本低，但效率低，諧波成份大。正弦波輸出是逆變電源的發(fā)展趨勢(shì)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)民，有ＰＷＭ功能的微處理器也已問(wèn)世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。
１、方波輸出的逆變電源目前多采用脈寬調(diào)制集成電路，如ＳＧ３５２５，ＴＬ４９４等。實(shí)踐證明，采用ＳＧ３５２５集成電路，并采用功率場(chǎng)效應(yīng)管作為開(kāi)關(guān)功率元件，能實(shí)現(xiàn)性能價(jià)格比較高的逆變電源，由于ＳＧ３５２５具有直接驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的能力（圖７）并具有內(nèi)部基準(zhǔn)源和運(yùn)算放大器和欠壓保護(hù)功能，因此其外圍電路很簡(jiǎn)單。
２、正弦波輸出的逆變電源控制集成電路
正弦波輸出的逆變電源，其控制電路可采用微處理器控制，如INTEL公司生產(chǎn)的80C196MC、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MP16以及MI－CROCHIP公司生產(chǎn)的PIC16C73等，這些單片機(jī)均具有多路ＰＷＭ發(fā)生器，并可設(shè)定上、上橋臂之間的死區(qū)時(shí)間，采用INTEL公司80C196MC實(shí)現(xiàn)正弦波輸出的電路如圖８所示，80C196MC完成正弦波信號(hào)的發(fā)生，并檢測(cè)交流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。
五、逆變電源主電路功率器件的選擇
逆變電源的主功率元件的選擇至關(guān)重要，目前使用較多的功率元件有達(dá)林頓功率晶體管（ＢＪＴ），功率場(chǎng)效應(yīng)管（ＭＯＳＦＥＴ），絕緣柵晶體管（ＩＧＢＴ）和可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）等，在小容量低壓系統(tǒng)中使用較多的器件為ＭＯＳＦＥＴ，因?yàn)椋停希樱疲牛跃哂休^低的通態(tài)壓降和較高的開(kāi)關(guān)頻率，在高壓大容量系統(tǒng)中一般均采用ＩＧＢＴ模塊，這是因?yàn)椋停希樱疲牛噪S著電壓的升高其通態(tài)電阻也隨之增大，而ＩＧＢＴ在中容量系統(tǒng)中占有較大的優(yōu)勢(shì)，而在特大容量（１００ＫＶＡ以上）系統(tǒng)中，一般均采用ＧＴＯ作為功率元件。
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