基于三电平逆变器的光伏系统实验演示装置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 义 马 骥 张 斌 王 聪

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 北京 100083



基于三电平逆变器的光伏系统实验演示装置研究

郭思雯 任家敏 段迎娟 王 义 马 骥 张 斌 王 聪

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 北京 100083

摘 要：讨论了一种用于辅助电力电子技术理论教学的光伏发电系统实验演示装置的研制，重点分析了中点钳位三电平光伏逆变器的设计。该逆变电路通过SPWM控制方法，将直流电压转换成负载所需的交流电压，具有谐波少、效率高等一系列优点。基于光伏发电实验演示装置通过模块化的形式，将光伏发电的过程清晰地呈现出来，同时通过改变光伏板的倾斜程度可以完成各种演示实验，使理论教学过程更直观，更富有活力。

关键词：实验装置；逆变器；工作原理

随着世界能源的逐渐枯竭，太阳能的应用越来越广泛，太阳能光伏发电也成为一个热门话题，各大高校也相继开设了新能源方面的课程，但是由于太阳能发电装置中太阳能板价格昂贵以及架设地点的特殊，使得教学过程还仅限于理论教学，学生只能根据课本等资料想象，为教学带来诸多不便，为了让学生更直观清晰地了解光伏发电的过程，用于教学实验的光伏发电实验演示装置被提出并投入研究。

1 光伏发电原理

光伏发电是利用半导体材料的表面光伏效应将太阳能转化为电能，然后通过DC/DC变换和逆变等过程，实现并网发电。图1为实验装置的结构图，该装置主要由光伏板、逆变器、蓄电池、灯泡等构成，能够实现太阳能到电能的转换，并能将所得的电能变换处理直接用于灯泡供电；装置中还添加了相应的储能装置，将多余的电能存储起来，用于夜间或没有太阳时供给负载，保证实验教学时整个装置可以顺利运行。接下来分别介绍各个模块的设计及原理，由于整个实验装置中，逆变器是其核心器件，保证太阳能板转化的电能能够并入电网，使灯泡正常工作，所以将重点介绍逆变部分，包括它的工作原理，控制方法和实验波形。

图1 光伏发电装置结构图

2 实验演示装置研究

2.1 光伏板和MPPT控制器

为了使光伏阵列产生的电能更简单的转换到负载额定电压范围内，同时降低太阳能板的成本，选择功率60 W，开路电压17.5 V，开路电流3.43 A，峰值电压21.3 V，峰值电流3.74 A的光伏板。

为了提高太阳能电池组件的利用率，实验装置中加入最大功率点跟踪装置，该装置通过实时监测太阳能板的发电电压，计算出光伏阵列的输出功率，来实现对电压电流最大值的跟踪，使工作效率大大提高。

2.2 DC/DC变换电路设计

由于升压电路需要将12 V电压升到100 V，升压比比较大，所以实验装置中升压部分采用了交错并联boost电路，该电路可以将实验装置中蓄电池的较低电压提升到足够高的程度；从而满足后级逆变器的并网要求。

图2为升压电路电路图。与普通的boost电路相比，交错并联boost电路不仅升压比大，工作效率高，避免了大电感的使用，使得电压变换部分体积小且可靠性提高，同时还降低了输入电流的波纹［1，2］。为了使得到的电压更稳定，boost电路中开关管的通断用闭环控制电路实现。

图2 交错并联boost电路图

交错并联boost电路在一个工作过程周期中有4种状态。

状态1：V1，V2都导通时，电感L1，L2存储能量，电容C1，C2无能量流动。

状态2：V1导通，V2关断，电感L1存储能量，L2释放能量，电容C1充电，C2放电。

状态3：V1关断，V2导通，电感L1释放能量，L2存储能量，电容C1放电，C2充电。

状态4：V1关断，V2导通，电感L1通过电容C1和二极管D1续流，L2通过电容C2和二极管D2续流，电容C1，C2放电。

2.3 逆变器工作原理

逆变部分采用三电平逆变器，具有开关损耗小、电磁干扰小、光伏阵列对地杂散电容上无共模漏电流、所需滤波电感小等优点，三电平逆变器开关器件所承受的电压仅为直流侧电压的一半，因此低耐压的器件也可以实现高压，高功率的传输。

图3为逆变器的原理图，忽略开关器件的正向导通压降，根据开关器件的导通关断情况得到3种输出状态［3-7］：“P”状态，V1，V2导通，V3，V4关断；“O”状态，V2，V3导通，V1，V4关断；“N”状态，V3，V4导通，V1，V2关断。

图3 三电平逆变器原理图

“P”状态：当V1，V2导通时，若电流从逆变器电路正向流入负载，即电流从A点流经V1，V2到负载，此时U点和O点间的电位差为Ud/2；若电流从负载反向流入逆变器，则电流流过与主开关反向并联的二极管并对电容C1充电，但U点和O点间的电位差仍为Ud/2。

“N”状态：当V3，V4导通时，若电流从逆变器电路正向流入负载，即电流经过V1，V2流回B点，此时U点和O点间的电位差为-Ud/2；若电流从负载反向流入逆变器，则电流流过与主开关反向并联的二极管并对电容C2充电，U点和O点间的电位差仍为Ud/2。

“O”状态：当V2，V3导通时，U点和O点间的电位差为0，实际上V2，V3并未同时导通，当电流方向为正向时，电流从O点依次流过D1和V2，当电流方向为负时，电流则通过V3和D2流回O点。即通过D1 和D2的导通将U点的电位钳位在0电位上。为保证三种状态的正常工作，降低中点波动，减小两个电容间的压差，C1，C2必须相等。

在工作过程中，V1和V3的通断状态是互补的，V2和V4的通断状态是互补的，控制过程简单易实现，但是为了避免V1，V4同时导通而发生短路，开关器件的通断转换必须遵从先断后通的原则，为此在两个开关导通时间上设置了一小段死区，保证电路的安全性。同时为了能够得到相对稳定的正弦输出电压，将逆变所得的正弦信号进行检测，用标准正弦波（50 Hz，0.8 V）与检测所得波形相减，再经过比例放大作为调制信号，以50 kHz的三角波作为载波，在两者的交点时刻控制开关器件的通断。通过简单的闭环控制，可以使电路能够及时动态调整方波的占空比，提高电路的抗扰性能；电路通过负反馈过程消除实际输出与要求输出之间的差值，使所得的波形更精准。

三电平逆变器的主要特点是由不同层次的电平合成正弦波，在同样的开关频率下，和传统的两电平相比，能够实现更多阶次的电平，因此输出波形更接近正弦波。

3 实验验证

升压所得的100 V电压，经过逆变器逆变后得正弦波，图4为仿真所得电流电压波形，图5为示波器显示实物电压波形。

图4 电流电压仿真波形

图5 示波器电压波形

图6为实验演示装置。各模块以一个网格架为支撑搭建连接成一个整体，太阳能光伏板能够自由变换角度，实现了入射角的可变；在支架下安装万向轮，便于整个实验演示装置的移动；装置采用模块化技术，使得学生能够更透彻地了解光伏发电过程中各部分的原理和作用。

以中国矿业大学（北京）为试点投入使用，在教学过程中让学生自己动手操作，结合教学讨论，课堂氛围相对纯理论教学更活跃，整个学习过程不仅提高了学生的积极性，还增强了他们的求知欲；通过一段时间的实验教学和课后调查，学生在使用教学实验装置后，对光伏发电有了更直观清晰的了解，同时对相关知识的掌握更牢固，有些学生还对光伏发电产生了极大的兴趣，该装置在教学应用中起到的积极作用可见一斑。

图6 实验演示装置

4 结束语

本文介绍了三电平逆变器的工作过程和控制方法，通过仿真和反复测试，验证了中点钳位三电平逆变器能够很好地实现直流到交流的变换，以此为基础研究制作的光伏发电实验演示装置也达到了预期的要求，实现了电能的储存，转换以及并网应用，使新能源教学从理论到实践成为可能。通过试点推广和走访调查，验证了该实验装置的可行性和在教学过程中起到的积极作用，达到了预期的教学效果。

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实验室与实训基地建设

Research on Experimental Demonstration Device of Photovoltaic System Based on Three Level Inverter

Guo Siwen， Ren Jiamin， Duan Yingjuan， Wang Yi， Ma Ji， Zhang Bin， Wang Cong
School of Mechanical Electronic & Engineering， China Univercity of Mining & Technology（Beijing）， Beijing， 100083， China

Abstract:This paper discusses the development of an experimental demonstration device for the power electronic technology theory teaching，focusing on the design of the neutral point clamped three level photovoltaic inverter. The inverter circuit through the SPWM control method，the DC voltage is converted into the AC voltage required to load， with a series of advantages of low harmonic and high effciency. Based on the discussion of photovoltaic power generation experimental demonstration device through the modular form， the process of photovoltaic power generation is clear， and the degree of tilt of the PV panels can be completed by various experiments， the theory teaching process is more intuitive， more dynamic.

Key words:experimental device； inverter； working principle

收稿日期：2015-11-16

作者简介：郭思雯，在读本科生。任家敏，博士，教授。