鞏翛然，胡萬強

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

引言

太陽能發(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光能，有利于環(huán)境保護，并且無可動部件，可分散靈活配置.太陽能光伏發(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)太陽能發(fā)電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其組成主要包括太陽電池矩陣、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)部功率開關(guān)管在信號驅(qū)動下，實現(xiàn)其開通與關(guān)斷的特性，實現(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，功能完整，本文對并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用正弦波電壓源型逆變器進行了研究與設(shè)計.

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DC/DC變換器和后級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，然后通過逆變電路輸出220 V交流電[3]3.

1 逆變主電路設(shè)計

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需要實時控制直流母線電壓，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)計采用具有寬輸入電壓范圍、低載時有很高轉(zhuǎn)換效率的IGBT開關(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功率差異等問題，系統(tǒng)中通常需要并聯(lián)電解電容來解決，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，在整個電路設(shè)計中使用長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V1和V2或通或斷，其工作狀態(tài)互相補充，V3和V4工作狀態(tài)與V1和V2類似.控制過程如下：在輸出電壓U0的正半周，V1接通，V2斷開，V3和V4互相交替通斷.由于通過負(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，當(dāng)V1、V4導(dǎo)通時，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，因i0為負(fù)，故U0=Ud，如果V3打開，V4斷開，則i0經(jīng)過V3和VD1，此時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，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的交點控制.在Ur正半周，V1接通，V2斷開，當(dāng)Ur>Uc時V4接通，V3斷開，U0=Ud；否則，V3接通，V4斷開，此時U0值為零.以此類推，在Ur負(fù)半周, V1保持?jǐn)鄳B(tài), V2保持通態(tài),當(dāng)UrUc時，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，給V1和V4導(dǎo)通信號，給V2和V3關(guān)斷信號，這時如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

在本文中，PWM采用控制芯片SG3525，該芯片基本性能和工作過程參照徐東生文章《基于SG3525A的太陽能逆變電源設(shè)計》[5]116，內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，并有過流保護功能，且頻率可調(diào).該芯片含有2個引腳，其中11、14引腳相位差為180°，分別引出一條線與變壓器相連接，它們之間的電容起阻斷直流的作用，可產(chǎn)生4組控制信號來分別控制開關(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.控制信號的來源是由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

DC/AC控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示，核心器件為TMS320F240，主要由電壓和電流檢測電路等組成，電壓和電流檢測電路主要通過比較器電路，將正弦波信號轉(zhuǎn)換成TMS320F240可以識別的TTL電平信號，從而實現(xiàn)與電網(wǎng)電壓信號同相.電流測量主要是使用CSM300LT電流傳感器，使其在電隔離情況下測量電流，將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)信號調(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

本設(shè)計中的正弦波的產(chǎn)生是由芯片ICL8038來完成的[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.為了進一步減小正弦波的失真度，本設(shè)計中將2個100 kΩ的電位器和2個10 kΩ的電阻組成一個電路，通過調(diào)整它們可使正弦波的失真度減小到0.5%，通過調(diào)整Rw2可使電路振蕩頻率最大值與最小值之比達到100∶1.

5 主電路開關(guān)管的參數(shù)設(shè)計

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

全橋4個管子在正常工作狀態(tài)時承受的最大電壓為U1max,即50 V，電流指標(biāo)計算如下：

在分析電路損耗的時候，發(fā)覺管子的導(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快捷公司的FSAM20SL60 IGBT管，其額定電流20 A、耐壓60 V，較同類器件成本降低40%，外型尺寸減小近30%.

6 實驗結(jié)果與結(jié)論

為了驗證上述光伏逆變器設(shè)計的正確性，制作了一臺逆變器電路板，如圖8所示. 帶阻性負(fù)載時輸出電壓波形如圖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，無毛刺，可以為供給設(shè)備作交流電用.實測在輸出功率為100 W時轉(zhuǎn)換效率達到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，利用關(guān)鍵器件TMS320F240、SG3525、ICL8038，進行逆變器的研究和設(shè)計.該系統(tǒng)的基本功能比較完善，成本較低，開發(fā)周期較短，適合于市場推廣.