光伏发电正弦波逆变系统设计

杨志卫，朱建华，高 俊

（浙江科技学院，浙江杭州310023）

光伏发电是根据光生伏特效应,利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。小型光伏发电系统主要由光伏电池组件、蓄电池、充放电控制器和正弦波逆变器四大部分组成，由于系统主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,具有可靠、稳定、寿命长、安装维护简便的显著优点。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,因此，研究和开发光伏发电系统科学的能量控制策略，提高能量利用率，是十分必要的。为此，本文设计了一种小型光伏发电系统，以期对光伏发电技术作一些有益的探索。系统控制器采用了最大功率点跟踪（MPPT)技术和充电管理技术，以提高系统的效率并延长蓄电池的寿命。正弦波逆变器采用DC/DC变换和DC/AC逆变二级变换技术，以提高变压器的利用率和系统转换效率,降低系统成本；采用可编程低频正弦波DDS单片电路，以保证信号源的精度和稳定性；采用专业驱动芯片，提高控制系统的可靠性，减少了电路的复杂程度。本文重点介绍正弦波逆变部分。

1 光伏发电系统的控制方案

1.1 光伏发电系统的基本结构

小型光伏发电系统由光伏电池组件、蓄电池、充放电控制器、正弦波逆变器等几部分组成。控制系统由防反冲二极管、充电控制器、电流采样电路、电压采样电路、场效应管等组成；正弦波逆变器由DC/DC变换器、正弦信号发生器、精密整流电路、DC/AC逆变器等组成。系统结构框图如图1。

图1 光伏发电系统框图

1.2 光伏电池组件

单体的太阳电池采用纯度较高的晶硅棒，经过切割、研磨、抛光等工序制成晶片，构成太阳电池的基底部分，随后在其表面扩散与该材料异性的杂质，构成pn结[1]。表面扩散层引出的电极为上电极，基底引出的电极为下电极。如果将上下电极与负载连接，将产生回路并向负载供电。单体的太阳电池只能提供约0.5 V的电压，约20mA的电流，不能满足实际用电的需要，实际使用时需要多个单体的太阳电池串并起来，并封装在一个透明的外壳内，形成特定的电池组件，这个特定的组件就是光伏电池组件。

1.3 蓄电池

蓄电池的作用是储存太阳电池提供的电能，蓄电池成本占光伏发电系统初始设备成本的25%左右，如果对于蓄电池的充放电控制比较简单，容易导致蓄电池提前失效，使系统的运行成本增加。蓄电池一般并不能达到设计的使用寿命，蓄电池运行管理不合理是导致蓄电池提前失效的重要原因。因此科学的系统能量控制策略，对延长蓄电池使用寿命至关重要。

1.4 控制器

控制器的主要功能是保证系统能高效、可靠地工作。它包括最大功率点跟踪（MPPT)系统、充电管理系统、蓄电池过充保护电路、过放保护电路、过流保护电路等。

MPPT系统是一种根据温度和光强的变化自动调节电路的工作状态，使太阳电池电能输出最大化的电气系统[2]。MPPT的控制过程是一个自寻优过程，通过对太阳电池当前输出电压与电流的检测，得到当前太阳电池输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使阵列动态地工作在最大功率点上。

电池充电管理系统是根据所选蓄电池的特性设计的，控制器采取了预充、快充、保持三个阶段进行充电管理。是否预充电由电池端电压决定，当电池端电压已经低于蓄电池允许的最低充电压以下时需要预充电，其目的是当电池过度放电后，充电时必须以小的电流进行预充，使电池端电压上升到最低允许充电电压以上。快速充电采用MPPT模式向蓄电池充电，其电流值应小于蓄电池的最大允许充电电流，当单个电池单元电压达到所设定的终止电压时，MPPT模式充电终止，充电电流快速递减，充电进入保持充电过程。保持充电是在电池两端施加一个恒定的电压，检测充电电流，当充电电流小于设定值时终止充电。

蓄电池对充放电要求很高，当过充电、过放电、外部电路短路发生时，造成电池内部的温度上升，导致电池寿命缩短。因此，蓄电池设置充电、过放电、外部电路短路保护电路。

1.5 逆变器

逆变器是DC/AC转换器，它能将电池组的直流电源转换成稳定的220 V、50 Hz交流电或其它类型的交流电，供交流负载使用。

2 正弦波逆变器设计方案

2.1 正弦波逆变系统的结构及基本原理

正弦波逆变系统由蓄电池、DC/DC变换器、PWM控制电路、DC/AC逆变器、直流侧过电流保护电路、交流侧过电流保护电路等几部分组成。系统框图如图2所示。

正弦波逆变器采用典型的二级变换，即DC/DC变换和DC/AC逆变。首先由DC/DC变换将DC 36 V电压逆变为高频方波，经高频升压变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的约310V直流电压；然后再由DC/AC变换以正弦波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成脉宽调制波；再经LC工频滤波得到稳定的有效值为220 V的50Hz交流电压，以驱动负载。

2.2 DC/DC变换

由于变压器原边电压为36 V,为了提高变压器的利用率,降低成本,第一级采用DC/DC变换[3]，其电路结构如图3所示。采用推挽式电路，原边中心抽头接蓄电池，两端用开关管控制，交替工作，可以提高转换效率。而推挽式电路用的开关器件少,双端工作的变压器的体积比较小,可提高占空比,增大输出功率。

2.3 DC/DC逆变器的PWM控制电路

变压器原边的开关管S1和S2各采用IRF540、PWM控制电路芯片SG3524，SG3524是由锯齿波振荡器、误差运算放大器、控制放大器、比较器、触发器、与非门及功率驱动管组成。外部电阻Rt和电容Ct与芯片内部的振荡器控制线路共同组成一个锯齿波振荡器，锯齿波振荡器输出频率固定的锯齿波。振荡器的工作频率由Rt和Ct决定；当把这个三角波电压送到电压比较器的反相端与送到比较器的同相端的来自误差放大器或控制放大器的输出电压进行比较时，在比较器的输出端将得到具有一定宽度的矩形电压脉冲波。这样只要适当调节误差放大器或控制放大器的输入电压，使输出电压按一定的规律上升或下降，其产生PWM方波所需的外围线路很简单。当两个输出并联使用时,输出脉冲的占空比为0～95%,脉冲频率等于振荡器频率的1/2。当关断端加高电平时,可实现对输出脉冲的封锁,与外电路适当连接,则可以实现欠压、过流保护功能。利用SG3524内部自带的运算放大器调节其输出的驱动波形的占空比D，使D＞50%，然后经过CD4011反向后，得到对管的驱动波形的D＜50%，这样可以保证两组开关管驱动时，有共同的死区时间。

2.4 DC/AC变换

2.4.1 正弦波的产生

正弦波产生电路采用M icro Linear公司的一款低频正弦波DDS单片电路ML2035，它内部主要由正弦信号产生、晶振和串行数字接口等部分组成。它的控制可以通过芯片的串行数字接口实现，数字接口部分主要由移位寄存器和数据锁存器组成。SID引脚上的16 bits（位）数据字在时钟SCK的上升沿时被送入16 bits（位）的移位寄存器，在LATI的下降沿触发下，送入移位寄存器的数据被锁存进数据锁存器，LATI的下降沿应该发生在SCI为“0”的电平期间。

正弦波信号发生器原理如图4所示，图中74HC4060是14位二进制串行计数器，在时钟的下降沿计数器翻转。ML2035的SID端为串行数据输入端，经74HC4060运算后在Q5、Q8和二极管V构成的频率字控制电路中得到所要求的二进制频率字。ML2035的SCK接至Q4，为串行时钟输入端，上升沿有效。Q8的上升沿经过微分电路产生一尖脉冲，接至ML2035的LATI，在其下降沿把SID端输入的串行数据锁存到ML2035的内部数据锁存器。

输出正弦波信号的频率f由频率控制字D及晶振频率fc决定，三者之间的关系为 D=f×223/fc[4]，若选晶振频率为2.467 238MHz，输出的正弦波频率为50 Hz，可计算得到频率控制字D=170，二进制表示为下标>决，三者之 10101010。频率控制字产生的时序如图5所示。

2.4.2 SPWM调制过程

正弦波信号产生后，一路经过精密全波整流，得到馒头波uc，另一路经过比较器得到与正弦波同频率，同相位的方波ub。uc与1 V基准经过加法器后得到ud，ud输入到SG3524送到比较器的同相端，这样ud和锯齿波将在SG3524内部的比较器进行比较产生SPWM波ue。分相电路用二块四输入与门CD4011组成。ub和ue加到分相电路后就可以得到驱动信号uf和ug，再将uf和ug加到MOS管驱动电路，就可以实现正弦脉宽调制。调制过程如图6所示。

2.4.3 驱动电路设计

驱动电路采用IR公司的专用芯片IR2110，该芯片是IR公司生产的大功率MOSFET和IGBT专用驱动集成电路，可以实现对MOSFET和IGBT的最优驱动，同时还具有快速完整的保护功能，因而它可以提高控制系统的可靠性，减少电路的复杂程度。IR2110的自举电容[5]选择不好，容易造成芯片损坏或不能正常工作。VB和VS之间的电容为自举电容。自举电容电压达到8.3 V以上，才能够正常工作，要么采用小容量电容，以提高充电电压，要么直接在VB和VS之间提供10～20 V的隔离电源，本电路采用了1μF的自举电容。为了减少输出谐波，逆变器DC/AC部分一般都采用双极性调制，即逆变桥的对管是高频互补通和关断的。驱动电路如图7所示。

2.4.4 SPWM调制电路

如图7所示，DC/AC变换采用单相输出，全桥逆变形式，输出使用工频LC滤波。由4个IRF740构成桥式逆变电路，IRF740最高耐压400 V，电流10 A，功耗125W，利用半桥驱动器IR2110提供驱动信号，其输入波形由SG3524提供，同理可调节该SG3524的输出驱动波形的D＜50%，保证逆变的驱动方波有共同的死区时间。

3 实验结果

用30W太阳电池板2块、36 V 50 Ah蓄电池组、控制器、逆变器及220 V 75W的白炽灯构成系统进行实验。实验结果显示，逆变系统输出电压波形平滑；输出电压稳定在220 V，变换负载时未见有明显的电压波动；输出频率为50 Hz，精度为1%。实验的电路波形如图8所示。

图8 输出波形

4 结束语

本文介绍了一种小型光伏发电系统。系统电路主要由充电控制器、正弦波逆变器组成。充电电路实现了蓄电池的充电控制和太阳电池的一阶最大功率点跟踪；正弦波逆变电路采用DC/DC变换和DC/AC逆变二级变换技术、可编程低频正弦波DDS单片电路和专业驱动芯片。试验和运行结果表明，此光伏发电系统具有效率高、稳定性好的优点,有一定的实用价值。

[1] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社,2005：35-36.

[2] 吴理博，赵争鸣，刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学报（自然科学版），2003，43(9)：1195-1198.

[3] 黄俊.王兆安.电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社,1999：111-113.

[4] 孙悦,尹成群,黄怡然.基于ML2035低频正弦信号发生器的设计[J].现代电子技术,2008,21:106-108.

[5] 陈世锋,张代润,黄念慈.基于SHE-PWM控制的DC-AC电源[J].电源世界,2007,12:24-27.