5.电力电子与控制.doc

1、1475电力电子与控制太阳电池是一种典型的非线性半导体有源器件，其输出特性是一组以太阳光照度为参变数的具有下垂特性的曲线族。为了充分利用太阳电池的输出能量，就必须控制太阳电池的工作点，尽可能提高太阳电池的光电转换效率; 此外，还必须根据用电对象的需要，采用高效的电力电子装置，对太阳电池输出的能量形式进行转换。光伏（PV ）系统中涉及的电力电子与控制技术包括以下内容：DC-DC 及 DC-AC 变换技术、计算机控制及 远程监控技术、太阳 电 池最大功率点跟踪技术。其中，DC-DC 变换技术主要用于蓄电池的充放电控制；DC-AC 变换技术，即：逆变器技术，用于离网型的交流独立电站和并网型的发电系统

2、；计算机控制及远程监控技术、太阳电池最大功率点跟踪技术是结合计算机、自动控制原理、自 动检测、远 程通讯及电子技术 等学科为一体的高新技术。通过应用这些技术所制作的能量转换及控制设备，把光伏组件、蓄能装置、负载 、或电网等联结起来构成一个光伏电站系统，为负载提供 电力。本章重点介 绍太阳能充放电控制器、逆 变器、光伏系统中广泛采用的最大功率跟踪（MPPT）技术 ，最后 简要介绍光伏系统中常用的遥控遥测技术。 5.1. 充放电控制器充放电控制器是离网型光伏发电系统中最基本的控制电路，也是必不可少的电路，任何一个离网型光伏发电系统，不 论系统大小，如：小到一个太阳能手 电筒、草坪灯，大到一个几千瓦

3、甚至几百千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到充放电控制器。当然，大系统（如：太阳能电站）用的控制器与小系统（如：太阳能手电筒）用的控制器,其控制电路的硬件或软件复杂程度是不一样的，但其基本原理是一样的。某些时候你看到的光伏发电系统，可能没有控制器而只有逆变器， 实际上这是将控制器与逆变器合二为一的一种做法。本节重点就独立型光伏系统和混合型光伏系统中用到的控制器进行论述，并网系统中用到的控制器将结合 5.2 节中并网逆变器的技术进行论述。控制器中涉及到的最大功率跟踪（MPPT ）技术放到 5.3 节详细论述。5.1.1. 控制器的基本原理148如图 5-1 示的电路是一个最基本的充放电控制器原理图

4、。在该电路原理图中，由光伏组件、蓄 电池、控制器 电 路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关 K1、K2 分别为充电开关和放 电开关，它 们均属于控制器电路的一部分，K1、K2 的开合由控制电路根据系 统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关 K1，否则闭合；当蓄电池 过放时断开放电开关 K2，否则闭合。开关 K1、K2 是广义上的开关，它包括各种开关元件，如：各种电子开关、机械式开关等。电子开关如：小功率三极管、达林 顿管、功率场效应管（MOSFET）、固态继电器、晶闸管（IGBT、GTO）等；机械式开关如：继电器、交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器

5、1。在图 5-1 中涉及的控制电路指的是一个广义的控制电路，是控制器电路的核心。它可以是各种形式的电 路来担当这个角色。如：应用在太阳能草坪灯上的控制电路就是用几支三极管、电 阻、 电容、电感构成的电压 比较升压充放电电路、光控电路；应用在太阳能路灯或移动电源上的控制电路就是用集成运放构成的电压滞回比较器电路来充当控制核心，或者是采用单片机（MCU ）作为控制电路的核心，来对开关 K1、K2 进行逻辑 控制；更大的系统，象各种太阳能光伏电站（如：独立型、并网型、混合型），其充放电控制器的核心就采用单 片机（MCU ）或者数字信号处理（DSP ）芯片，甚至是工业 控制计算机等，除了基本的充放电控

6、制功能外，还具有友好的人机显示界面、遥控遥 测功能、以及复 杂的控制算法等等。上面提到的控制核心电路中，有采用单片机(MCU)的,还有 DSP 甚至工业控制计算机的，不仅涉及到复 杂的硬件而且还涉及到与硬件相适应的软件技术和控制算法。这不仅要求硬件设计 要从电路设计到器件选择必须做到最优、可靠和抗干扰能力强，而且控制算法与 软件设计也必须是严密简洁的，有较强的抗干扰能图 5-1 充放电控制器原理图控制电路 负载K1 K2蓄电池149力和容错自恢复能力，这些要求对光伏电站的可靠运行至关重要，否则使用中将会产生难以预料的后果。另外，在实际的光伏应用系统中，小系 统和消费类电子产品中由集成运放和分列

7、元件构成的控制电路比较多，中小系统采用集成运放构成的电压比较器电路和单片机的控制器电路比较多，大系统（如：各种光伏电站）中 DSP 的优势比较明显， DSP 的处理能力强、速度快，在 MPPT 中更具优势 2 3。以上图 5-1 仅仅是控制器电路的基本原理图，实际的应用系统远远不只这些，实际系统中控制器还有很多附加电路（如：电流电压采样电路、温度测量电路等），并且还涉及很多控制策略、算法（如：系统优化、可靠性、 MPPT、如何提高蓄电池的充放电性能等多方面）。但不论系统大小、多么复杂，其基本原理是一 样的，即：直接耦合控制方式和 MPPT 跟踪控制方式，只是采用的控制策略、算法的难易不同，具体

8、的应用将在下一节结 合几个实用电路进行说明。5.1.2. 控制器设计中的常用技术1、采用集成运放构成的充放电控制电路由集成运放构成的电压比较器作为控制电路在 100W 以下的小系统中还是大量采用。因为这种电路完全是由硬件组成的控制系统，通过调节电位器来设定控制状态，具有简单可靠、维护方便、成本低、电路本身功耗也极低，是一种匹配性很好的电路。当然电压比较器也可以采用其他集成电路（如 555 定时器等）来设计。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压回差，同时器件的选择要可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的控制器电路。图 5-2 是一个采用直接

9、耦合的方式的充放电控制器电路，该电路由集成运放LM358、CD4011、功率开关（ 50N06）可调电阻、以及 电阻、 电容、二极管、三极管、发光管、插座等组成。该电路为 12V 的蓄电池设计的充放电控制电路，对蓄电池具有过充和过放保护功能， LED 提供充放电状态指示，最大充放电电流为6A，PV 组件正极流入端有防反充肖特基管 D1，以 PV 组件代替光敏电阻，通过跳线 JP0 可实现白天充电夜间自动放电功能。蓄 电 池的充放电电压可根据具体的蓄电池的使用要求通过可调电阻 W1、W3 进行调节，一般标称为 12V 的铅酸蓄电池最低放电电压不低于 11V(一般相当于 75%的放 电深度，若要求

10、蓄 电池浅放150电这个值还应提高)，最高充电电压不高于 14.5V(这个值与蓄电池环境温度有关,需作温度补偿)。 蓄电池实现由直充脉充关断再脉冲的转换过程对其充电，脉充频率由反馈电阻 R17 的大小决定， 这类电路脉冲频率一般较小 0.5-5HZ,仅供参考。2、采用单片机为 控制核心的控制器电路如图 5-3 示电路， 该控制器是专为太阳能路灯设计的，它由微处理器电路（P87LPC767）、稳压电源 电路、 实时时钟电路、液晶显示电路、充电开关电路、放电开关电路、键盘接口电路、太阳电池和蓄电池接口 电路组成。微 处理器电路通过其输入输出 P0、P1 I/O 口实现与其他各功能电路的 连接，其

11、A/D 输入口实现对蓄电池、太阳电池采样测 量， 稳压电源电路通过将 12V 直流电压稳压为 5V 电源给微处理器电路及其他电路提供 5V 电压；液晶显 示电路通过半字节的数据总线（4 条）与控制总线（3 条）再与微处理器的 P0、P1 口相连接（液晶显示电路带有独立的控制器，其工作电源有 电源电路提供）；实时时钟电路通过串行总线SCL、SDA 与微处理器的 P1 口连接实现读写功能；充 电开关电路由一根控制线图 5-2 是采用集成运放构成的充放电控制电路 F 4 k C 3 l K 6 K 0 K 8 1 K A K K F 184 8 8 K F P F 30 CD4011151与微处理器

12、 P1 口相连接，由软件模拟波形输出 PWM 控制信号；放电开关电路也由一根控制线与微处理器 P1 口相连接，由软件模拟波形输出控制信号，控制开关动作；键盘接口电路与微处理器电路之间通过两条 I/O 口线 P0 连接；太阳电池和蓄电池接口电路通过保险管和开关与充电开关电路中+12V 端连接，与放电开关电路中+12V 端连接。控制器为低功耗的具有微处理器的充放电电路（与上一个硬件电路比功耗较大，因为 它还带有显示电路。 ），它还具有实时时钟电 路。通过实时时钟电路，设定对长时间浅放电的蓄电池可作每 6 个月一次的全充全放养护激活操作，消除记忆效应以延长蓄电池的使用寿命， 实践证明通过养护激活操作

13、蓄电池的使用寿命可以延长 50%左右。通过时钟电 路还可以提供时间输出，对路灯进行时间控制。控制器的充放电控制输出都提供 PWM（脉宽调制）功能直接对 MOSFET 开关管进行控制，实现最大功率跟踪（ MPPT）的控制充电，大大提高充电效率，尤其突出的是在放电时的 PWM 输出控制下可以调节 LED 光源的功耗（因为 LED 的频闪性能良好；但普通灯具如荧光灯等不具备，改变频率对灯具寿命有明显影响）。例如：控制器在天黑时到晚上 12 点，为全功率输出，到 12 点以后夜深人静时可以适当1 2 3 4ABCD4321DCBAD7CELL+Vin VoutIC47805+12V VCCC6100u

14、FC5470uFR320k+12V12CN2battery12CN3opticalVCCR4100KR2100KR520Kday/nightXTC1 C2P0.01 P1.72 P1.63P1.54 VSS5 X16X27 P1.48 P1.39P1.210 P1.1/RXD 11P1.0/TXD 12P0.713P0.6/AD3 14VDD 15P0.5/AD2 16P0.4/AD1 17P0.3/AD018P0.2 19P0.1 20IC187LPC767VCCtimervolitageVOKC3104VCC RV1P0 P1P2P3ERSR/WP0P1P2P3ER/WRSK2K1123C

15、N4KEYCOMK1K2VCC C4104SWSW 1F1 FUSE1 +12V12345678 9PR1A10KR1110kR1210kR1310kR1410k+C810u +C910uVCCVCCVCCVSS 1VCC 2VO3RS 4R/W 5E 6DB0 7DB18DB2 9DB3 10DB4 11DB5 12DB613DB7 14VSS 15VDD 16MCC162MCC162K1SW SPST VCCVCCC10104/INT7SCL6SDA5OSCI1A03OSCO2VCC8Vss4IC3PCF8583VCCXT1C14 C151 2batteryD6IN4148R910K12C

16、N1lampQ2R1020KT2R720K+12VD5R1510KD4LEDD1T1+12VQ1R1610KVOKL1D3D2LED图 5-3 以单片机为控制核心充放电控制器152降低 LED 光源的亮度， 这样可提高能源的利用效率，也延长了能量的使用时间，可减小系统配置降低系统成本 2。3、采用单片机组成的 MPPT 充放电控制器基本原理如图 5-4 示，这是一个具有 MPPT 功能的充放电控制器原理框 图，由于其 电路相对复杂这里不再提供具体应用电路，它由自带 A/D 转换功能的单片机（MCU）、电压采集电路、 电流采集电路、 DC/DC 变换电路等组成。从技 术上讲主要由单片机及其控制采

17、集软件、测量电路、 DC/DC 变换电路三部分组成，对各部份的技术要求具体来讲就是：DDC/DC 变换电路：一般为 BUCK 或 BOOST 型电 路，要求有 较高的转换效率，在 85或 90以上，但小功率的 DC/DC 电路其效率比较低，只有6075。因此，具有 MPPT 功能的控制器在 50WP 以下 PV 系统中优势不明显，很少采用，而主要应用在较大的系统中。另外 还 有一个系统匹配的问题，DC/DC 变换电路的设计与 PV 组件功率、 负载大小要匹配，做到系统接近满载，效率更高。DC/DC 变换电 路有升压（BOOST ）型、降压（BUCK）型、升降压（BUCK 与 BOOST）型，具

18、体 选择哪一种要根据 PV 组件电压、蓄 电池电压和负载工作电压来确定 1。测量电路：主要是 DC/DC 变换电路的输入侧电压和电流值、 输出侧的电压值，另外还有温度等测量电路。 测量电路要求简单可靠，测量精度满足技术要求，从产品角度上还应有高的性能价格比。DC/DC电流采集K1MPU(带 A/D)蓄电池 负载电压采集电压采集图 5-4 采用单片机组成的 MPPT 充放电控制原理图153单片机及监控软件：单片机技术近年发展很快，各种高效多功能低功耗单片机很多,选择的范围也很大，如： INTEL 80C196 具有正弦波 输出功能，PHILIPS 公司的 P87LPC767 为带 有 A/D 转

19、换功能的紧凑型低功耗产品等，另外也有采用DSP 代替 单片机的控制器。要实现 MPPT 功能， 监 控软件十分重要，采用什么样的控制算法其效果差别很大，如常用算法有：恒定电压法跟踪法、扰动观察法、增量电导法、标准蓄电池查表法等，这里不详细介绍，留待 5.3 节论述。4、控制器必须具备的几个基本功能对 PV 系统的充放电调节控制是光伏应用系统的一个重要功能。对小系统，可以采用简单的控制器组成的系统来实现，对中大型光伏系统，也可以采用包括一组功能更为复杂的控制设备组来实现。除了小系统（如：一般的太阳能灯具等）和消费类产品的应用外，在光伏电站系统中使用的充放电控制器必须具备以下的几个基本功能：A.防

20、电池过充的功能；B.防 电池过放的功能；C.提供负载控制的功能；E.提供系统工作状态信息给使用者/操作者的功能；F.提供备份能源控制接口功能；G.提供能将 PV 系统富余能源给辅助负载消耗的功能；H.提供各种接口（如：监控）的功能。5.1.3. 开发与选购控制器须注意的几个问题即上面提到的几个基本功能：防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能等外，还有以下几个重要指标：1）控制器本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，世界银行的标准是自耗电流小于额定工作电流的 1，因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要。2）回路压降要低。世界银行的标准是回路压降应小于系统电压的 5，这跟

21、电路的设计与开关器件的选择密切相关。3）防 PV 组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。1544）防反充保护。在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄电池电流倒流。5）防雷击保护。PV 系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制器输入端并接压敏电阻或增设其他防雷措施。5.2. 逆变器逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变器技术在电力电子技术中是一种比较成熟的技术，如：UPS 电源中的逆变器、变频技术中用到的逆变技术、某些特种电源中用到的逆变技术、光伏系 统功率调节器中用到的逆变技术等。这些都已经以商用产品的形式推向市场，受到社

22、会广泛认可，但在光伏系 统中的逆变器也有它的特殊设计与使用上的要求。目前国内光伏发电系统中主要是以直流 DC 系统和独立（stand-alone）型 DC-AC 系统为主，即：将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄 电池通过充放电控制器直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及偏远地区的微波基站供电系统均为直流系统，最近几年一些用户 相对集中的偏远地区独立型 DC-AC 系统也发展很快。光伏发电的趋势是进入民用电力，但由于民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏逆变器成为技术关键。另外，从发 展趋势看，光伏发电最终将实现并网运行为

23、 主， 这就必须采用交流供电系统，因此 DC-AC 逆变器在光伏系统应用中具有十分重要的作用。随着我国太阳能光伏应用市场的不断壮大、成熟，今后屋顶并网光伏发电系统将成为光伏发电的主流。如图 5-5 这是一个可提供交流输出的光伏系统原理图 1。作为在太阳能光伏发电系统应用中的逆变器还是有很多特殊的设计与使用上的要求。如：a、对输出功率和瞬时峰值功率的要求；b、对逆 变器输 出效率的要求；c、对逆变器输出波形的要求；d、对逆 变器输 入直流电压的要求。这四项指标已成为检验逆变器技术性能的重要内容。155我们已经知道，光伏组件阵列、充放 电控制器和蓄电池构成的系统只能产生直流电，如果负载需要交流 电

24、就必须有逆变器，逆 变 器能够将直流逆变为交流(如图 5-5)。根据需要，逆 变器分 为单相和三相两种形式，频率为通用 50-60 赫兹， 110或 220 伏特的电压，能提供从几百到几千瓦的连续功率输出。大型的逆变器能够输出 380 伏特甚至更高的电压，以及超过 10 千瓦、100 千瓦以上的功率。5.2.1. 逆变器的基本原理逆变换与正变换正好相反，它使用具有开关特性的全控功率器件，通过一定的控制逻辑由主控制电路周期性的对功率器件发出开关控制信号，再 经变压器耦合升（或降）压、整形滤波就得到我们需要的交流电。一般中小功率的逆 变器采用功率场效应管（MOSFET），绝缘栅 晶体管（IGBT）

25、，大功率的逆 变器都采用可关断充放电控制器蓄电池组 逆变器 交流负载直流负载图 5-5 可提供交流输出的离网型光伏系统PV 组件方阵 AC6421DCBe : : 2 图 5-6 由功率开关管构成的最简单的逆变电路156晶闸管（GTO）器件 1。如图 5-6 示，这是一个采用 MOSFET 功率开关管构成的最简单的逆变电路。其实质是一个推挽式逆变电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管 SW1、SW2 交替工作， 输出得到交流电力。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器效率低， 带感性负载 的能

26、力较差。图 5-7 示， 这是一个由功率开关管构成的全桥式逆变电路。全桥逆变电路克服了图 5-6 推挽 电路的缺点，功率开关管 SW、SW2 和 SW3、SW4 反相，SW和SW3 相位互差 180，调节 SW和 SW3 的输出脉冲 宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。四只功率开关管的控制信号由主控制电路给出，由于该电路具有能使 SW2 和 SW4 共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率开关管不共地，因此必 须1 2 3 5 A542DB 1 2 3 4 +- 图 5-7 由功率开关管构成的桥式逆变电路157采用专门驱动电路或

27、采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，在SW、SW2 及 SW3、SW4 之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，由主控制电路给出。光伏逆变器主电路的拓扑结构比较多的是采用三级结构（DC-AC-DC-AC），也有采用单级（DC-AC）或两级（DC-DC-AC ）式结构。一般来说，中小功率的光伏系统其 PV 阵 列的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管其额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比 较低,要得到 220V 或 380V 的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其 输出都必须加升压变压器，其拓扑结构一般采用二级、三级结 构。由于工频升压变压器体积大，效率低，

28、价格也较贵，近年来，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频开关技术和软开关技术实现逆变，可实现高功率密度逆变，这 种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构，但工作频率均在 20KHZ 以上，升压变压 器采用高频磁芯材料，因而体 积小、重量 轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经过高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在 300V 以上），再通 过工频逆变电路实现 逆变得到 220V 或者 380V 交流，系统 逆变效率在 90%以上，目前市面上的商用正弦波逆变器比较多的是这种三级结构，其工作原理为：首先将 PV 方阵输出的低压（如：24V 、48V，也有 110V以上）的直流通过高

29、频（几 KHZ 到几十 KHZ）逆变为方波交流 AC，通过升压变压器整流滤波后变为高压（110V 以上）直流 DC，然后 经第三级 DC-AC 逆变为所须的工频交流电（220V 或者 380V）4 5。1585.2.2. 光伏系统中的逆变驱动控制电路1 常用驱动电路光伏系统中的逆变驱动电路主要是针对功率开关管、功率晶闸管的门极驱动，要得到好的 PWM 脉冲波形，驱动电路的设计很重要。过去是用分列元件或者逻辑电路加外围电路来实现， 这种设计一是元件数量多、占用空间；二是波形质量差、可靠性降低；三是控制烦琐复杂。近年来，微电子及集成电路技术的发展，很多 专用多功能集成芯片的陆续推出，给应用电路的设

30、计带来了极大的方便。如应用在逆变器设计上的各种开关驱动电路：SG3524、 SG3525、TL494、SCALE 集成驱动器（2SD315A ）、IR2130 等在逆变电路设计中广泛采用 1 9。SG3525 是频 率固定的单片高性能 PWM 控制器，是用于驱动 N 沟道增强型MOS 管的第二代脉冲宽度控制器， 电源工作电压 840 V，输出频率可达 400 kHz。该 控制器包含精确的 电压基准 、高频振荡器、 误差放大器、比较器、PWM锁存器、分相器、欠电压锁定器、双 图腾柱输出 低阻抗驱动器、软起动电路及关闭电路。信号经过电流限制和比较器、 逻辑和输出驱动 器， 具有很短的传输延时。为了

31、在恶劣负载条件下能不间断供电，并确保功率模块安全，该控制器设计有快速电流限制比较器即具有逐个脉冲限流的功能。SCALE 集成驱动器由瑞士 CONCEPT 公司生产的、专为 IGBT 和电力MOSFET 提供 驱动的电路。它具有多功能、低成本、易使用、可靠性好等特点。根据实际应用中对驱动性能、 驱动输出通道数目、隔离等不同要求， SCALE 集成驱动器具有相应的不同型号，因而可满足不同的需求。SCALE 器件提供的驱动电流可达， 输出驱动信号的 导通电平为+15V，关断电平为-15V；开关频率范围为 0100H；具有 500V V 的电气隔离特159性；占空比为 0100。同时,这种器件内部还带

32、有短路和过流保护电路、隔离的状态识别电路、电源检测电路和 DC/DC 开关电源。IR2130 驱动芯片是一种高电压、高速度的功率 MOSFET 和 IGBT 驱动器，工作电压为 10-20 伏，分 别有三个独立的高端和低端输出通道。逻辑输入与CMOS 或 LSTTL 输出兼容，最小可以达到 2.5 伏 V 逻辑电压。可同时控制六个大功率管的导通和关断顺序，广泛应用在三相逆变电路中。2 常用控制电路芯片逆变电源中常用的控制电路主要针对驱动电路提供要求的逻辑与波形，如PWM、SPWM 控制信号等。比 较常用的芯片有：INTEL 公司的 8XC196 系列，摩托罗拉公司生产的 MP16、MICROC

33、HIP 公司生产 的 PIC16C73、德州 仪器的TMS320F206、 TMS320F240，SG3525 等。5.2.3 光伏并网（Utility-grid）发电系统中的逆变器电路光伏并网发电系统中逆变电路原理框图(如图 57)，这是一个完整的太阳能光伏并网发电系统原理流程图。图中是一个带有蓄电池的并网系统，有人把这种系统叫可调度式并网系统，没有蓄电池的系统叫不可调度式系统。也就是有蓄能装置的系统，其能量是可储 存和分配的，因此叫可 调 度式系统；反之，没有蓄能装置的系统叫不可调度式系统。原理框图中， PV 组件 阵列的设计第 4 章已讲过，充放电控制器 5.1 节也讲过， 这里重点再对

34、 DC/DC、DC/AC 电路作进一步的描述 4。DC/DC蓄电池组交流负载PV组件阵列充放电控制器(MPPT)DC/AC 滤波交流电网图 5-8 光伏系统中逆变电路原理框图1601、DC/DC 电 路控制原理DC/DC 变换器的控制框图如图 5-9 所示。这里控制 电路是以集成电路SG3525 为核心，以 SG3525 输出的两路 50KHZ 的 驱动信号，经门级驱动在推挽电路开关管 SW1 和 SW2 的门极上,如图 5-6 示。 为保持 DC/DC 变换器输出电压的稳定，将检测到的输出电压与指令电压进行比较，该误差经 PI 调节器后控制SG3525 输出 驱动信号的占空比。该控制电路还具

35、有限制输出过流过压的保护功能。当检测到 DC/DC 变换 器输出电流过大时， SG3525 将减小门极脉冲的宽度，降低输出电压，进而降低了输出电流。当 输出电压过高时，会停止 DC/DC 变换器的工作。由于推挽式电路容易因直流偏磁导致变压器饱和，因此，推挽式 电路的设计难点在于如何防止变压器的磁饱和。在本电路中，除了注意电路的对称外还设计了磁饱和检测电路，当流经推挽电路的两个支路电流失衡时，就会启动SG3525 的软 启动功能，使 DC/DC 变换器重新启动，变压器复位 1。偏 磁检测电路如图 5-10 所示。 图中只画出了磁环的副边，原边两个线圈接在主电路的变压器原边的两个绕组上，流 过两个

36、线圈的电流方面要相反。当变压器发生偏磁时，某一方向的电流异常大，通 过电流互感器检测，可在互感器的输出电阻 R1 上产生一个电压，如果该电压足 够大，可以使 稳压二极管 D5 导通，在电位器上产生压降，将电 位器的值调到合适的阻值，使 电位器上的压 降大于三极管的门限电压，使三极管导通，接在芯片 SG3525 的脚 8 与地之间 的电容放电，然后 SG3525 中的恒流源对它充电，SG3525 重新启动，从而使 变压 器磁芯复位，起到防止变压器的磁饱和目的。图 5-9 采用 SG3525 实现的 DC/DC 转换电路UPVSG3525电压/电流检测磁饱和检测推挽式高频逆变电路高 频变压器整 流

37、滤 波 UOUTTVPWM 输出1612、DC/AC 控制原理DC/AC 控制原理图如图 5-11 示。这是采用美国德州仪器公司的生产的高性能 DSP 芯片 TMS320F240 作 为控制核心，通过对输 入直流 电压和逆变输出的交流电进行采用及一系列的合成运算，再与三角波载波信号合成生成 SPWM 调制信号，将 PV 组件阵列的直流电压 逆为稳定输出的正弦波交流 电。由于这是一个与市电电网并网的系统，TMS320F240 还增加了对 市电电 网电压信号的同步跟踪采集过程。对电网电压信号的同步跟踪的目的是为了保证并网逆变输出的交流电流与电网的电压波形严格保持同 频、同相，这样做的目的是 为了使

38、并网系统的有功功率输出最大，也避免造成对公共电网的电力污染，有好的 电磁兼容性 4 9。为了保持与电网电压的同频同相，必须事时捕获电网的电压过零信号，由DSP 检测到过零信号的上升沿时触发同步中断，以此时刻作为时间的基准，作为正弦波信号的起点。要得到电压过零信号，可通 过同步变压器降压得到电网电压信号，再滤波整形为同步方波信号，再送 DSP 的外部中断口进行检测得到 9。采样输入直流电压开关驱动电路（如：IR2130）采样输出交流电压电网电压同步跟踪PV 组件阵列电压DC/DC 变换DC/AC 逆变220V 380V 电网ADCTMS320F240INTADCSPWM图 5-11 DSP 实现

39、的 DC/AC 控制原理图图 5-10 偏磁检测电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Feb-2004 Sheet of File: D:solarSOLAR_CT.DDB Drawn By:T1R1R2C1RV11:200C2U1DSP/MCUD11625.2.4. 逆变器的分类逆变器的分类方法很多，下面是按其功率、波形以及离并网特性来分类的。1、按额定功率分：A、小型逆变器（500W ）B、中型逆 变器（1KW10KW）C、大型逆变器（10KW100KW）D、超大型逆变器（100KW 以上）2、按输出波形分

40、：A、方波输出逆变器（适合阻性 负载， 带感性负载能力差），如图 5-13。B、准正弦波 输出逆 变器（从性价比上在方波与正弦波 间的一种折中）C、正弦波 输 出逆变器（标 准输出，与各种用电器兼容）如图 5-14。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Feb-2004 Sheet of File: D:solarSOLAR_CT.DDB Drawn By:Q4Q2Q1 Q3Q6Q5P16ABCDCHO1 27HO2 23HO3 19LO1 12LO2 13LO3 14/FAULT 8ITRIP 9CA- 11CA

41、O 10VCC 1VSS 12/HIN12/HIN23/HIN34/LIN15/LIN26/LIN37VS013VS126VS222VS318VB1 28VB2 24VB3 20IC2IR2130VBAVBBVBCVBAVBBVBC to loadR1R3R2R6R5R4PWM1PWM2PWM3PWM4PWM5PWM6IC1DSP(TMS320F240)如图 5-12 由 IR2130 驱动器构成的三相逆变电原理图1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Feb-2004 Sheet of File: D:solarS

42、OLAR_CT.DDB Drawn By:Q4Q2Q1 Q3L1C1T2TRANS1T1TRANS5220V Q5Q6DC (48V/110V)P1P2P11P12P13P14图 5-14 是一个单相并网交流正弦波逆变电原理图图 5-13 这是由 SG3524 构成的交流方波逆变电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25-Feb-2004 Sheet of File: D:solarSOLAR_CT.DDB Drawn By:TD3D4D5D6C3100uFR6R8R9R7R5 R4AC OUTIN- 1IN+2OS

43、C 3LIM+ 4LIM-5RT 6CT 7GND8COMP9S-D10 EMIT111COL112 COL213EMIT214 VCC15REF16IC2 SG3524 R10R11 R12C70.1uVCCC61uFPW1PW2PW1PW2to mcuI/O DC+Q1Q21633、按离网/并网特性分：A、并网型逆变器（逆 变器输出电流与电网电压同频同相）。如图 5-14B、离网型逆 变器（主要是指用在独立型光伏系统中的逆变器）。另外，根据输出的相数，还可分为单相与三相逆变器 4 5。5.2.5. 逆变器的几个重要指标1、要有较高的逆变效率。大功率逆变器在满载时，效率必须在 90%或 95

44、%以上。中小功率的逆变器在 满载时也应在 85% 或者 90%以上。这里电路的设计与器件的选择、以及系统负载 的匹配性好坏对逆变器效率有较大的影响，如图 5-15 示的曲线。2、要有较高的可靠性和可恢复性。目前光伏 发电系统主要用于边远地区， 许多电站无人值守和维护，这 就要求逆变电源具备一定抗干扰能力，环境适应能力，瞬时过载能力以及各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载 保护等。3、要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然 对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄

45、电池老化时其端电压的变01020304050607080901000 20 40 60 80 100逆 变 器 满 载 率 (%)逆变器效率 可控硅型晶体管型图 5-15 不同的器件与不同的满载率对逆变器效率的影响164化范围很大，如 12蓄电池，其端 电压可在 11 17 之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。4、在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输 出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供 电 ，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗， 许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电

46、网品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆 变器电源输出正弦波电流，并且“孤岛”检测保护响应快、可靠性好 9。以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据，也是评价逆变电源技术性能的重要指标，应高度重视。另外，逆变电源的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（BJT ），功率场效应管（MOSFET ），绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等，在小容量低 压系统中使用较 多的器件为 MOSFET，因 为MOSFET 具有 较低的通态压降和较高的开关频率，在高压大容量系统中一般均采用 IGBT 模块，这

47、是因为 MOSFET 随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而 IGBT 在中容量系统中占有较大的优势， 而在特大容量（ 100VA 以上）系统中，一般均采用 GTO 作为功率元件 1。5.2.6 光伏逆变器技术的未来发展对于今后光伏逆变器技术的发展，总是伴随并跟踪电力电子技术、控制技术、计算机技术、新型功率器件及 应用、模 块电源技术等的 发展趋势。从 这几项技术的发展，可以推测光伏逆变 器可能的技术发展与创新：新型电路拓扑结构的设计，智能控制技术的应用，神经 网络技术的结合，高 频开关技术、 软开关技术、智能检测与保护技术、模块化技术 的应用与改进、 “孤岛”保 护、 电磁兼容性更好等。其目标就是逆变器系统的效率更高、可靠性更好、功率密度更高、成本更低 4。1655.2.7. 光伏逆变器的几个重要制造商目前国际上几家能够提供从小功率到大功率、离网型（OFF-GRID ）、并网型（UTILITY-GRID）逆变器 产品的公司主要集中在德国、美国、加拿大、荷兰、澳地利等国。如：SMA、Solectria、SUNPOWER 、XANTREX、SYSGRATION、MASTERVOLT、FRONIUS 等。这些公司在国际上都是