光伏發(fā)電逆變電路的設(shè)計(jì)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]，隨著不斷的研究，我國(guó)新能源光伏發(fā)電企業(yè)規(guī)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(tǒng)技術(shù)開發(fā)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，提高逆變器的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于日常節(jié)能很重要^[2]，光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的元器件是新能源技術(shù)、電力電子、單片機(jī)控制等多種技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。

隨著全球能源問(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(jì)高效的綠色可再生能源器件得到了廣泛應(yīng)用，普遍使用的IGBT。IGCT等開關(guān)器件的容量等級(jí)也在不斷提高。為了進(jìn)行可靠的電能轉(zhuǎn)換，其開通與關(guān)斷必須安全可靠，這是逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件^[3-6]。

伴隨著調(diào)制的操作，直流母線中的電壓會(huì)發(fā)生范圍的變化，導(dǎo)致開關(guān)管需要承受更大的電壓應(yīng)力。此外，升壓電感電流會(huì)由于占空比呈現(xiàn)正弦規(guī)律變化，產(chǎn)生較為明顯的低頻波紋分量，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電流應(yīng)力，導(dǎo)致通態(tài)消耗尤為嚴(yán)重^[7]。 而現(xiàn)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足標(biāo)準(zhǔn)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)路線來(lái)解決效率問(wèn)題：

①采用軟開關(guān)技術(shù)以及多電平電氣拓?fù)洌?/p>

②采用空間矢量脈寬調(diào)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(nèi)阻。

為解決上述問(wèn)題，我們采用keil5以及MATLAB對(duì)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)換為交流電，之后通過(guò)整流將不規(guī)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(hào)，最后供應(yīng)負(fù)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芯片價(jià)值量最高的。光伏逆變器，新能源車都大量使用IGBT。隨著光伏裝機(jī)量的持續(xù)增長(zhǎng)，以及新能源車滲透率的提升，IGBT 行業(yè)持續(xù)發(fā)展迅速。

1.3 設(shè)計(jì)思路

首先通過(guò)定時(shí)器使51 單片機(jī)系統(tǒng)生成SPWM 調(diào)制控制信號(hào)，然后通過(guò)IR2110 驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制逆變電路中IGBT 器件的開通和關(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為“H 橋”電路，其構(gòu)成為四個(gè)功率開關(guān)關(guān)以及驅(qū)動(dòng)輔助電路，在工作過(guò)程中，Q2與Q3通斷互補(bǔ)，Q1和Q4通斷互補(bǔ)。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(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 IR2110電路

在功率變換裝置中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)，起功率開關(guān)器件一般采用隔離驅(qū)動(dòng)和直接驅(qū)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(qū)動(dòng)器件是最優(yōu)選。

圖3 IR2110內(nèi)部功能圖

IR2110 內(nèi)部功能由輸出到輸入由3 部分組成：輸出保護(hù)，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(qū)動(dòng)電源的數(shù)目，一組電源即可實(shí)現(xiàn)對(duì)上下端的控制，為裝置的設(shè)計(jì)帶來(lái)很多方便。

2.2 LC濾波電路的設(shè)計(jì)

圖4 濾波電路

LC 濾波器具有運(yùn)行可靠性較高、運(yùn)行費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用很廣泛。其直流損耗小，電感的電阻小。對(duì)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(cè)試單片機(jī)產(chǎn)生的SPWM 信號(hào)以及其波形。

由于對(duì)開關(guān)器件通斷控制的規(guī)律不同，單相橋式電路既可采取單極性調(diào)制，也可采用雙極性調(diào)制如表2所示，它們的輸出波形也有很大的區(qū)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(zhuǎn)換為交流電的過(guò)程，濾波電路濾除不需要的信號(hào)。原理圖如圖7所示。

3   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)生PWM信號(hào)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(duì)T₁ 或T₀ 設(shè)置計(jì)數(shù)初始值并運(yùn)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(shù)中將引腳設(shè)置為高電平，對(duì)定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器設(shè)置另一個(gè)計(jì)數(shù)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(shù)中將引腳設(shè)置為低電平，對(duì)定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器設(shè)置低電平維持所需的計(jì)數(shù)初始值，如此循環(huán)往復(fù)，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(jù)定時(shí)器的原理，在keil5 軟件中通過(guò)C 語(yǔ)言編寫代碼，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CPU 中斷*/

ET0=1; /* 開定時(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(cè)試與結(jié)果

4.1 程序設(shè)計(jì)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(jī)，通過(guò)單片機(jī)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(hào)。如圖9 所示。圖9 展示的為程序燒入51 單片機(jī)開發(fā)板后，用示波器測(cè)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(hào)推動(dòng)功率管（不斷開關(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(fù)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(jí)功率管，最后由后級(jí)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(tǒng)調(diào)試使用的儀器設(shè)備

我們所使用的設(shè)備如表3所示。

表3 儀器設(shè)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(hào)來(lái)改變，如圖表4 所示。

表4  測(cè)試數(shù)據(jù)   （V）

5   結(jié)束語(yǔ)

本課題由單片機(jī)、逆變電路、IR2110 驅(qū)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(xiàn)了光能產(chǎn)生的直流向交流的轉(zhuǎn)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(jī)，通過(guò)示波器測(cè)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(yàn)與調(diào)整。在做simulink 仿真時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入電壓比較小時(shí)，逆變后得到的交流電平均幅值達(dá)不到我們所設(shè)定的2倍的關(guān)系，而當(dāng)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(yàn)，但是由于制作實(shí)物時(shí)間，專業(yè)水平以及實(shí)驗(yàn)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(yīng)用充分，這些方面內(nèi)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）