一种新型光伏逆变器的设计

王 灏

许昌电气职业学院 河南许昌 461000

1 光伏逆变器概述

随着工业化的发展,煤、石油等传统化石燃料大量开发与利用,推动了人类社会的进步,与此同时也带来一系列问题,不仅导致传统燃料逐渐枯竭,而且造成严重的环境污染问题[1],对人类的生存与发展产生较大的影响。太阳能是一种清洁能源,具有来源广、使用安全等特点,可以较好地解决人类面临的资源枯竭、环境污染等问题,具有非常广阔的应用前景[2]。人们利用太阳能的重要形式之一是光伏发电。由于太阳能受到光照、温度、季节、天气等多种因素的影响,输出的电能不稳定,无法提供用户直接使用,因此为达到输出电能稳定的目的,科学家研制了光伏逆变器。

光伏逆变器作为光伏发电系统中的一个复杂设备,需要具有可靠性高、输入电压范围宽、失真度小、效率高等特点,还要具备反应速度快、短路保护、过载保护等功能。光伏逆变器可以对光伏板发出的电能进行转换与控制,在光伏发电转换效率、输出电能质量等方面具有重要的作用。当输入电压在一定范围内波动时,通过光伏逆变器可以保证输出电压相对稳定,为用电负载提供优质电源。

2 设计背景

随着电子技术的发展,各种先进的科学技术得到广泛应用,使光伏逆变器朝智能化、集成化、信息化、低损耗、高压高频、智慧网络、大功率等方向发展。光伏逆变器可以分为单端反激式、双端反激式、集中式、组串式、集散式、微型等多种类型,这些光伏逆变器各有特色。双端反激式光伏逆变器具有拓扑简单、可靠性高、高频隔离等优点,在中小功率场合中广泛应用,并且在电源领域应用较为广泛,基本拓扑电路主要有单端式、交错式。笔者在对传统光伏逆变器分析与研究的基础上,设计了一种新型光伏逆变器,能够较好地实现对太阳能的利用与转换。所设计的光伏逆变器包括交错反激变换器与逆变两部分,笔者通过系统仿真验证设计的可行性。

3 硬件

所设计的光伏逆变器与组件、汇流箱、电缆、支架等共同构成整个光伏系统,具有最大功率点追踪功能,其性能直接影响系统发电效率和稳定性。所设计的光伏逆变器电路结构简单,安全稳定,并且电气性能良好,成本低。

3.1 交错反激变换器电路

交错反激变换器根据输入、输出电压的大小可以分为降压变换器、升压变换器、升降压变换器,笔者在设计中采用升降压变换器。交错反激变换器采用两个单端反激电路,包括高频变压器T1、T2,功率管Q1、Q2,整流二极管D1、D2。高频变压器T1、T2除起储能和能量传输双重作用外,还具有输入与输出隔离、减小系统体积及质量等作用。

综合单端反激电路的优点,交错反激变换器电路的工作原理是利用驱动控制功率管Q1、Q2,通过调节驱动信号使功率管Q1、Q2轮流导通。交错反激变换器电路拓扑如图1所示。

图1 交错反激变换器电路拓扑

功率管Q1导通,功率管Q2关断,光伏电压Ui向变压器原边供电。通过对变压器同名端进行分析,此时整流二极管D1是不导通的,电能以磁能的方式保存至高频变压器T1。由于功率管Q2不导通,高频变压器T2的反电动势使整流二极管D2导通,高频变压器T2将功率管Q2开通时存储的电能传给电容C1及电阻R。

功率管Q1关断,功率管Q2导通,光伏电压Ui向变压器原边供电。通过对变压器同名端进行分析,由于功率管Q1不导通,高频变压器T1的反电动势使整流二极管D1导通,高频变压器T1将功率管Q1开通时存储的电能传给电容C1及电阻R。由于功率管Q2导通,输入电源会输入至高频变压器T2,电能以磁能的方式存储起来。

若将此交错反激变换器作为逆变器高频直流环节,工作在正弦脉宽调制模式,交错反激变换器滤波后的直流电供逆变器后级逆变。交错反激变换器工作波形如图2所示。

图2 交错反激变换器工作波形

高频正弦脉宽调制波驱动功率管Q1、Q2将直流电压变换为高频脉冲,通过高频变压器的隔离升压后调制为只有正弦波正半周的直流电。

3.2 逆变电路

逆变电路的作用是将前级交错反激变换器的正弦波正半周直流电变为正弦交流电。通过对逆变电路进行分析,综合几种电路的特点,笔者采用全桥式逆变拓扑电路。逆变电路拓扑如图3所示。

图3 逆变电路拓扑

前级交错反激变换器电路工作在高频状态,后级逆变电路工作在低频状态,可以有效降低工作时的损耗,促进整个系统工作效率的提升。在电路拓扑中,后级电路是逆变电路,将前级交错反激变换器电路输出的正弦波正半周直流电变为正弦交流电。光伏逆变器工作波形如图4所示。

图4 光伏逆变器工作波形

通过逆变电路分析可知,通过检测逆变电路输出信息,并调节驱动信号,可以使整个系统处于闭环控制状态,同时还可以实现最大功率点追踪功能。开关管Q1、Q4和开关管Q2、Q3各为一对管,轮流导通,二组对管的驱动信号留有死区以避免直通。开关管Q1、Q4导通,开关管Q2、Q3不导通时,逆变电路的输出Uo是正半周期。开关管Q1、Q4不导通,开关管Q2、Q3导通时,逆变电路的输出Uo为负半周期。因此,利用设计的逆变电路轮流导通,使光伏逆变器实现50 Hz、220 V正弦交流电输出。

4 软件

4.1 控制方案

为实现光伏系统的正常运行,在光伏逆变器硬件设计的基础上,还需配备相应的软件驱动和控制程序,包括主程序、采样功能模块、最大功率点追踪功能模块、脉宽调制控制功能模块等。实现这些目标,应从光伏阵列输入的瞬时电压、交错反激变换器输出的瞬时电压、逆变电路输出的瞬时电流及相位等方面进行控制策略设计。交错反激变换器采用正弦脉宽调制控制,逆变电路采用脉宽调制控制。

4.2 程序设计

主程序可以完成系统的初始化及子程序的调用,对系统整体运行情况进行监督与控制。主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程

系统控制程序通过对电压、电流等进行采样,完成光伏充电功率的计算。通过计算的参数来调节正弦脉宽调制控制的占空比,以实现最大功率点追踪,提高光伏发电系统的转换效率。

5 仿真验证

仿真时,以光伏发电系统模拟输入的电压波形作为仿真电路的输入电压,观察仿真的输出情况及仿真模块的有效性。输入在实际上是一定范围内波动的电压值,但仿真时输入电压仅仅是一个固定的输入电压值。输出电压仿真波形如图6所示。

图6 输出电压仿真波形

图6表明,光伏发电系统的输入为设计电压时,所设计的光伏逆变器实现了正弦电压的输出,输出电压波形良好,验证了设计的合理性、有效性。

6 结束语

光伏发电是太阳能应用的典型范例,光伏发电与天气、光照、温度、季节、地理位置等有密切关系,所产生的电能不稳定,输出的电能质量无法满足负载直接使用的要求。为解决这一问题,科学家研制了光伏逆变器。笔者设计了一种新型光伏逆变器,对硬件设计方案、控制策略和软件设计方案进行了介绍,通过计算机软件搭建了光伏逆变器模型。仿真结果表明,所设计的光伏逆变器能够输出符合设计要求的正弦交流电,验证了光伏逆变器设计方案的科学性、有效性。