光伏发电逆变电路的设计与研究

  作者：孙幸懿,马星宇,吴启悦,冯飞,赵恒(金陵科技学院机电工程学院,南京 210000)

  ：光伏系统的核心设备是光伏发电逆变电路，它是把光伏组件发出来的直流电通过逆变电路转化为符合电网要求的交流电。本次设计主要是基于C51芯片控制电路，通过Keil5的集成开发坏境进行系统软件设计，并通过MATLAB的仿真进行证明其可行性。为了更好的提高逆变器的转换效率，采取了用逆变电路实现电源DC-AC形式变换。 提升逆变器工作效率极其重要。

  近几年来，光伏发电作为一种重要形式在太阳能利用方面于世界得到了迅速的发展[1]，随着不断的研究，我们国家新能源光伏发电企业规模不断增多，新能源光伏发电逆变器的需求猛增。因此，高性能逆变器是光伏发电系统技术研发人员着重关注的问题，提高逆变器的转换效率对于日常节能很重要[2]，光伏发电系统中使用的元器件是新能源技术、电力电子、单片机控制等多种技术有机结合的产物。

  随着全球能源问题的不断加剧以及电力电子技术的持续不断的发展，大功率光伏逆变器作为经济高效的绿色可再次生产的能源器件得到了广泛应用，广泛使用的IGBT。IGCT等开关器件的容量等级也在逐步的提升。为了进行可靠的电能转换，其开通与关断必须安全可靠，这是逆变器系统稳定运行的先决条件[3-6]。

  伴随着调制的操作，直流母线中的电压会发生范围的变化，导致开关管需要承受更大的电压应力。此外，升压电感电流会由于占空比呈现正弦规律变化，产生较为显著的低频波纹分量，运行过程中会产生电流应力，导致通态消耗尤为严重[7]。 而现在，伴随慢慢的变多的分布式电源接入配电网，电能质量成为了一个大问题[8]。

  为了有效利用分布式电源并满足相关标准电能质量发展要求，多功能逆变器受到广泛关注。光伏等分布式能源得到了前所未有的发展[8-9]。

  为解决以上问题，我们采用keil5以及MATLAB对光伏发电逆变电路的仿真，以证明其可行性。

  通过直流滤波电路，把光伏电路产生的直流电去除电磁干扰和电流波动，然后通入逆变电路，直流电通过逆变后转换为交流电，之后通过整流将不规则的交流电整流为正弦波交流电，由输出端的滤波电路滤除逆变过程产生的高频干扰信号，最后供应负载或是并入电网。

  以IGBT( 绝缘栅双极型晶体管）为代表的功率器件是新能源车芯片价值量最高的。光伏逆变器，新能源车都大量使用IGBT。随着光伏装机量的持续增长，以及新能源车渗透率的提升，IGBT 行业持续发展迅速。

  首先通过定时器使51 单片机系统生成SPWM 调制控制信号，然后通过IR2110 驱动电路来控制逆变电路中IGBT 器件的开通和关断，将直流电逆变成交流电，最终采用LC 低通滤波器消除DC-AC 的变换过程中存在的多次谐波的问题。

  单相全桥逆变电路又被称为“H 桥”电路，其构成为四个功率开关关以及驱动辅助电路，在工作过程中，Q2与Q3通断互补，Q1和Q4通断互补。H 桥逆变电路的原理图与其输出电压波形如图2所示。

  在功率变换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般都会采用隔离驱动和直接驱动两种方式。兼有电磁隔离和光耦隔离的优点，在中小功率变换装置中驱动器件是最优选。

  IR2110 内部功能由输出到输入由3 部分所组成：输出保护，电平平移及逻辑输入。IR2110 有很多特点，比如说可以极大地减少驱动电源的数目，一组电源就可以实现对上下端的控制，为装置的设计带来很多方便。

  LC 滤波器具有运行可靠性较高、运行的成本较低等优点、结构相对比较简单，应用很广泛。其直流损耗小，电感的电阻小。对交流电的滤波效果好，感抗大。LC 滤波电路如图4 所示。

  由于对开关器件通断控制的规律不同，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制如表2所示，它们的输出波形也有很大的区别，如图5和图6。

  逆变电路的工作原理是：首先逆变电路是由直流电转换为交流电的过程，滤波电路滤除不需要的信号。原理图如图7所示。

  定时器原理：这种方法的基础原理是使引脚产生一个低电平，对T1或T0设置计数初始值并运行，使之经过时间t1后产生定时中断；在中断服务函数中将引脚设置为高电平，对定时器/ 计数器设置另一个计数初始值，经过时间t2后产生中断，在中断服务函数中将引脚设置为低电平，对定时器/ 计数器设置低电平维持所需的计数初始值，如此循环往复，就产生一个高电平时间为t2、周期为（t1+t2）的矩形波。

  依据定时器的原理，在keil5 软件中通过C 语言编写代码，其中部分波形中断和显示波形的代码如下：

  用I/O 口采用软件定时器中断可以模拟PWM 输出。个人会使用 keil5 或者keil4 软件来编程烧入单片机，通过单片机中的定时器来产生晶振，在P1.0 引脚上输出周期为2.5 s，占空比为20% 的脉冲信号。如图9 所示。图9 展示的为程序烧入51 单片机开发板后，用示波器测试的P1.0 口的输出波形，可明显看出输出方波的占空比是20％。

  首先由控制信号推动功率管（不断开关) 使高频变压器产生低压的高频交流电。然后通过高频变压器输出高频交流电，再然后经过快速地恢复二极管全桥整流输出一个高频的几百伏特的直流电到后级功率管，最后由后级产生输出电压，MATLAB仿线

  本课题由单片机、逆变电路、IR2110 驱动电路、LC滤波电路等组成的新能源光伏发电逆变电源基本实现了光能产生的直流向交流的转换。此外，在研究课题的过程中，我们还使用了MATLAB 中的simulink 仿真，将程序烧入单片机，通过示波器测试某一端口的输出波形，其他的还有PROTEUS 仿真，这些工具让我们想法得到及时的试验与调整。在做simulink 仿真时我们得知，当输入电压比较小时，逆变后得到的交流电平均幅值达不到我们所设定的2倍的关系，而当输入直流电压逐步上升后，输出交流电压幅值趋向于2倍的关系。我们还做了一些其他的仿真实验，但是由于制作实物时间，专业水平以及实验环境的影响，我们没完成完整的实体电路，多电平供电没有应用充分，这样一些方面内容还有待完善。

  [1] 尹靖元,金新民,李金科,等.一种新型双逆变器串联的光伏并网变流器[J].电网技术,2014,38(8);2102-2107.

  [2] 杨睿祺,王军.新能源光伏发电逆变电源的设计与研究[M].北京:机械工业出版社,2015.

  [8] 谢琳宇,唐忠,黄星字.考虑分布式电源和电动汽车不确定性的双层动态配网重构[J].电力系统保护与控制,2020,48(10):1-11.

  [9] 孙广宇,李永丽,斯伟,等.基于三相多功能逆变器的微电网电能质量综合治理策略[J].电网技术,2019,43(4):121-122.

  [10] 苏康博,杨洪明,余千,等.考虑多类型水电协调的风光电站容量优化配置方法[J].电力系统保护与控制,2020,48(4):40-42.