1、第4卷第5期 2014年9月 南方职业教育学刊 JOURNAL OF SOUTHERN VOCATIONAL EDUCATON 、，o14 NO5 Sep2014 离网型光伏逆变器的分析设计和思考 王永强 ，卢旭锦2，陈国雄2 (1南亚新能源技术开发有限公司，广东汕头515900； 2汕头职业技术学院机电工程系，广东汕头515078) 摘要：通过对离网型光伏逆变器电路的拓扑结构进行分析和思考，提出设计便携式、高效简单的离网型光伏逆变 器的设计思路，并以此思路设计了基于STC单片机控制的离网型光伏逆变器，该逆变器可在单片机控制器的控制之下， 进行DCDC升压整流、滤波成320V的直流电压，并送到
2、后级逆变电路进行DCAC逆变，产生220V50Hz的准正弦波 交流电供给负载，该电路可作为设计离网型中小功率光伏逆变器的参考电路。 关键词：光伏逆变器；升压电路；逆变电路 中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：2095073X(2014)05-0100-05 随着时代的进步，人们对于环保意识有了进 一步的加强，选择清洁能源的理念逐渐被现代人 所接受。光伏发电(PV)产生的电能便是一种相 对简单而环保的能源，它能把太阳能直接转换为 我们日常所需的电能，在这个转换过程中相对来 说无任何污染且清洁高效。 光伏发电系统按是否接人公共电网来戈分，主 要可分为离网型、并网型及混合型三种系统 。
3、目 前，我国的光伏发电系统大多为直流系统，太阳能 电池方阵输出的电能直接对蓄电池组进行充电，再 由控制器控制蓄电池组根据负载情况的不同供电。 由于直流负载种类繁多，而且居民用电以交流负载 居多，因此设计一个逆变系统，将蓄电池的电能逆 变成标准交流电源，一方面有利于用户直接使用， 同时也可将多余的电能并人电网团。 光伏逆变器是光伏发电系统的关键部件，所 以对于光伏逆变器的设计就显得尤为重要，其性 能的好坏直接决定着光伏发电系统的性能。本文 以离网型光伏逆变器为研究对象，以基于STC单 片机设计出的光伏逆变器电路为例，对其结构进 行剖析和思考，以供光伏发电系统设计人员作为 参考之用。 1 离网型光
4、伏发电系统的结构 离网型光伏发电系统主要由太阳能电池方 阵、蓄电池组、光伏逆变器、逆变控制器及负载 构成唧，其结构如图1所示。离网型光伏逆变器相 对于并网型来说要简单得多，对于蓄电池组的管 控不需要独立的控制器，可综合到逆变控制器中 进行统一测控，这可进一步优化系统电路，也可 以使设计出来的光伏发电系统更趋袖珍型。 收稿日期：20140826 作者简介：王永强(1977一)，男，广东汕头人，南亚新能源技术开发有限公司助理工程师，研究方向为风力发电机维护 及维修；卢旭锦(1977一)，男，广东汕头人，汕头职业技术学院机电工程系讲师，研究方向为智能化逆变电源；陈国雄 (1965一)，男，广东汕头人
5、，汕头职业技术学院机电工程系高级讲师，研究方向为电工电子技术教学。 第5期 王永强，卢旭锦，陈国雄：离网型光伏逆变器的分析设计和思考 101 图1 离网型光伏发电系统结构 从图1可见，整个系统的核心为光伏逆变 器。逆变控制器作为主控制器，它一方面可以检 测和控制蓄电池组的充放电情况，以达到延长蓄 电池寿命的目的；另一方面，可以控制光伏逆变 器进行高效的逆变，产生所需的标准交流电源。 2离网型光伏逆变器的结构分析 21 离网型光伏逆变器主电路拓扑结构 按输出结构划分，逆变器主电路可分为无变 压器方式、工频变压器方式和高频变压器方式。 无变压器方式电路结构简单，构成的逆变器体积 小、重量轻，较适合
6、于小功率光伏发电系统；而 工频变压器方式电路的优点则是成本低，效率 高，但缺点是输出的交流电波形为矩形波；高频 变压器方式可综合以上两种电路的优点，设计出 一种高效而成本低廉的逆变电路。 图2离网型逆变器主电路拓扑结构 如图2所示为离网型逆变器主电路的拓扑结 构，整个电路分成两级逆变，第一级为PWM高 频逆变，进行DCDC变换后将直流电压升至 320V，第二级则采用SPWM周波数逆变，通过 DCAC变换，输出标准工频交流电压。这种结构 的电路相对来说较为复杂，但只要通过正确的核 算，选用合适的电磁元件，仍然可以将转换效率 提高到85以上，况且后级采用SPWM进行周波 数变换，输出的交流电压波形
7、为准正弦波，符合 交流负载的要求。 22 离网型光伏逆变器的典型结构图 根据图2所示的拓扑电路，可设计出一款中小 功率的光伏逆变器电路，其基本结构如图3所示， 主控制器采用的是STC单片机STC15W4K32S4， 该单片机具有6通道增强型带死区控制的高精度 PWM波形发生器，可满足两级逆变所需。8路10 位AD转换引脚，可用于对蓄电池、逆变器输出 的参数进行精确的检测。前级DCDC变换采用推 挽方式的升压电路，由单片机发出PWM信号经 TL494驱动后，经高频变压器实现直流升压。后 级DCAC逆变采用全桥逆变电路，由单片机产生 SPWM信号经IR21 10驱动，输出经滤波电路后供 给负载。
8、图3离网式光伏逆变器的结构 3蓄电池组充放电的控制策略 蓄电池组的主要作用是将光伏电池方阵多余 的电量进行收集，并在光照不足时，与太阳能电 池方阵一起向负载供电。特别是在离网型光伏发 电系统中，蓄电池组具有对整个系统的电能进行 调节的作用，它的稳定性直接决定整个系统是否 能够正常工作。因此，我们采用STC单片机对蓄 电池组的电压、电流及温度进行实时监控，当光 伏电池方阵满足负载运行的情况下，控制蓄电池 组进行安全有效的充电；当光伏电池方阵不能满 足负载运行需求的情况下，控制蓄电池组与光伏 电池方阵一起向负载供电 。 在蓄电池组进行充电的过程中，为了延长蓄 102 南方职业教育学刊 第4卷 电池
9、的寿命，我们可采用恒流、恒压、浮充三种 方式，分阶段式对蓄电池组进行有效充电 。在蓄 电池组进行放电的过程中，应时刻监控放电电流 是否过大，并实时进行调节，以免损坏负载。利 用单片机控制蓄电池组有效充放电的流程图如图 4所示。 图4蓄电池组控制策略 4离网式光伏逆变器主电路的设计 41 DCDC直流变换电路的设计 在设计光伏逆变器中的DCDC升压电路时， 可采用传统的BUCK、BOOST及BUCKBOOST三 种电路拓扑结构来设计。但BOOST电路由于直流 侧电压控制方便、电路简化、输出波动小等特 点，能够满足实现光伏系统中的MPPT调节功 能，因此BOOST电路无疑是实现变换器效率最大 化的
10、最佳选择，通过利用单片机调节PWM信号 的占空比，可以很容易便能实现MPPT的功能。 如图5所示为DCDC升压主电路，采用传统 的两路对称推挽电路，其输出结果相互作用后产 生高压的交流电，再经整流桥整流及滤波后，输 出320V的直流高压。四个开关管的控制信号是由 单片机控制TL494生成了两路对称的PWM信 号，分别作用在四个开关管上，我们正是利用调 节PWM信号的占空比，来实现光伏电池阵列输 出电压为其最大功率点所对应的电压嘲。 图5 DCDC升压主电路 要采用恒压法在DCDC升压电路中实现 MPPT功能，我们可将光伏电池方阵负载看成是 整个DCDC电路，这样输出电压uo=u (1一D)，其
11、 中D为占空比，其比值为开关管导通的时间To 与开关周期T的比值。通过改变占空比，即可在 光伏电池方阵输出电压0uMAx范围内，寻找到最 大功率点处的电压。 42 DCAC逆变电路的设计 DCAC逆变电路的设计必须以适应光伏发电 逆变器系统要求为原则，按传统的电路设计方 法，有推挽式、半桥式和全桥式三种转换电路。 推挽式结构的开关管需要承受两倍直流高压，在 电路设计和抗干扰上存在弊端，而半桥式结构输 出电压仅为全桥式的一半，因此DCAC逆变电路 的设计无疑是采用全桥式结构为佳。 如图6 DCAC逆变电路结构图所示，由STC 单片机输出两路互补的SPWM信号，经IR2110 进行驱动，从而使逆变
12、桥获得SPWM驱动信号， 最后产生220V50Hz的正弦波交流电。SPWM信 号的产生采用查表法来完成，由软件根据检测到 的参数实时计算出正弦波表格，利用STC单片机 中的四路PWM引脚来实现信号的输出。将载波 周期数值不断送到STC单片机的PCA捕获寄存器 第5期 王永强，卢旭锦，陈国雄：离网型光伏逆变器的分析设计和思考 103 CCAPXH和CCAPXL中，PCA定时器的值与捕获 寄存器的值相比较，当两者相等时，产生PCA中 断。在中断后进行PWM脉宽调节，并将下一个 SPWM波的脉宽进行装载，如此循环，便可实现 SPWM的不断更新。 图6 DCAC逆变电路结构图 在图6中，逆变桥的输出只
13、是SPWM调制 波，不适合于负载使用。L1和C2构成了逆变器 的低通输出滤波器，它的主要作用是滤除高频成 分，并让50HZ的正弦波通过供给负载。电感及 电容的参考值，可由工程计算公式： 1 =_二 推算得出：=2 和 。 2zc4i,C c= 1 ，其中f0为截止频率，R为特性阻 抗，它与负载的关系为R=(0508)R ，通常取 经验值为05R 。由此可见，只要知道f。和R，便 所示。经LC滤波后输出的波形稳定度高，失真度 低，接近理想的正弦波形。经过半载及满载实 验，输出效率在875以上，波形失真度 THD324，输出电压有效值220V26，输出 频率误差为4-05HZ。试验结果表明该样机符
14、合光 伏电源系统的执行标准 。 可以推导出L和C的值，工程上为了减小体积， 妻 通常电容的取值大于电感的2 5倍。 5实验结论 根据上述原理，研制出一台基于STC单片机 控制的500W离网型光伏逆变器样机，该样机滤 电路的电容取值为5F，L取值为0TmH。在进行 多次的老化实验下，样机的波形和频率如图79 寸 图7 TL494输出波形 5msdiv 图8高频变压器输出波形 2msdiv 图9逆变器满载时输出的电压波形 6结语 104 南方职业教育学刊 第4卷 光伏发电技术对于解决能源与环境污染之间 的矛盾有着深远的意义，随着光伏技术的发展， 我们深信光伏发电将会为人类作出更大的贡献。 光伏逆变
15、器作为光伏发电系统中的核心结构，其 性能直接影响了光伏发电系统的发电效率，所以 只要我们能充分把握和理解光伏逆变主电路的拓 扑结构以及正确选择两级逆变电路，才能设计出 符合家用光伏电源系统执行标准要求的光伏 逆变 。 参考文献： 【1】沈辉，曾祖勤太阳能光伏发电技术 北京：北京化学工 业出版社。2005：3034 【2】王鹤，杨宏光伏系统用中小功率逆变电源的现状与展望 J电源技术应用，2001(9)：38-39 3】付文辉，罗健明离网型太阳能发电系统的设计方法J东 方电气评论，201 1，97(25)：70-75 4许傲然，张柳光蓄互补发电系统控制策略研究J】电力电 子技术。2013(5)：6
16、670 5】李艳梅，黄科元200W便携式离网型太阳能光伏逆变电 源的设计 电源技术应用，2012，15(7)：3943 6】张广辉一种实用型户用光伏逆变器的设计J科技创新 导报2012(20)：22 【7】孙殿忠，桂存兵400VA光伏离网纯正弦波逆变电源的研 制J】低压电器，201 1(1 1)：4952 8王鹤，杨宏，于化丛，崔容强500VA光伏逆变电源的研制 J】电源技术应用，2002，5(6)：36-38 【责任编辑：郑炯勋】 Analysis and Design of Off-grid Photovoltaic Inverter WANG Yong-qiang ，LU Xu-jin
17、，CHEN Guo-xiong (1Nanya New Energy Technology Development CoLtd，Shantou 515900，China；2Department of Mechanical and Electrical Engineering，Shantou Polytechnic，Shantou 515078，China) Abstract：Based on the off-grid photovoltaic inverter circuit topology analysis，this paper proposed an efficient off-grid
18、 photovoltaic inverter design train of thoughtIt was designed based on STC microcontroller control type off-grid photovoltaic inverterThe inverter Can be under the control ofthe MCU controller,DCDC boost rectifier,filter into the DC voltage 320、and sent to after level inverter circuit for DCAC inverter,produce sine wave of 220 v50 hz alternating current supply loadThe circuit can be used as design off-grid photovoltaic inverter type of small and mediumsized power reference circuit Key words：photovoltaic inverter；booster circuit；inverter circuit
