第４卷第５期 ２０１４年９月 南方职业教育学刊 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＥＲＮ ＶＯＣＡＴＩＯＮＡＬ ＥＤＵＣＡＴＯＮ 、，ｏ１．４ ＮＯ．５ Ｓｅｐ．２０１４ 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ＤＣ／ＤＣ升压整流、滤波成３２０Ｖ的直流电压，并送到后级逆变电路进行ＤＣ／ＡＣ逆变，产生２２０Ｖ／５０Ｈｚ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：２０９５—０７３Ｘ（２０１４）０５－０１００－０５ 随着时代的进步，人们对于环保意识有了进 一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。 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Ⅱ分，主 要可分为离网型、并网型及混合型三种系统 。目 前，我国的光伏发电系统大多为直流系统，太阳能 １ 离网型光伏发电系统的结构 离网型光伏发电系统主要由太阳能电池方 电池方阵输出的电能直接对蓄电池组进行充电，再 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 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， 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。 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 收稿日期：２０１４—０８—２６ 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，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 交流负载的要求。 ２．２ 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， 图１ 离网型光伏发电系统结构 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 从图１可见，整个系统的核心为光伏逆变 位Ａ／Ｄ转换引脚，可用于对蓄电池、逆变器输出 器。逆变控制器作为主控制器，它一方面可以检 的参数进行精确的检测。前级ＤＣ／ＤＣ变换采用推 测和控制蓄电池组的充放电情况，以达到延长蓄 挽方式的升压电路，由单片机发出ＰＷＭ信号经 电池寿命的目的；另一方面，可以控制光伏逆变 ＴＬ４９４驱动后，经高频变压器实现直流升压。后 器进行高效的逆变，产生所需的标准交流电源。 级ＤＣ／ＡＣ逆变采用全桥逆变电路，由单片机产生 ２离网型光伏逆变器的结构分析 ＳＰＷＭ信号经ＩＲ２１ １０驱动，输出经滤波电路后供 给负载。 ２．１ 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 图２离网型逆变器主电路拓扑结构 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 如图２所示为离网型逆变器主电路的拓扑结 电系统中，蓄电池组具有对整个系统的电能进行 构，整个电路分成两级逆变，第一级为ＰＷＭ高 调节的作用，它的稳定性直接决定整个系统是否 频逆变，进行ＤＣ／ＤＣ变换后将直流电压升至 能够正常工作。因此，我们采用ＳＴＣ单片机对蓄 ３２０Ｖ，第二级则采用ＳＰＷＭ周波数逆变，通过 电池组的电压、电流及温度进行实时监控，当光 ＤＣ／ＡＣ变换，输出标准工频交流电压。这种结构 伏电池方阵满足负载运行的情况下，控制蓄电池 的电路相对来说较为复杂，但只要通过正确的核 组进行安全有效的充电；当光伏电池方阵不能满 算，选用合适的电磁元件，仍然可以将转换效率 足负载运行需求的情况下，控制蓄电池组与光伏 提高到８５％以上，况且后级采用ＳＰＷＭ进行周波 电池方阵一起向负载供电 。 数变换，输出的交流电压波形为准正弦波，符合 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 ４．１ ＤＣ／ＤＣ直流变换电路的设计 在设计光伏逆变器中的ＤＣ／ＤＣ升压电路时， 可采用传统的ＢＵＣＫ、ＢＯＯＳＴ及ＢＵＣＫ—ＢＯＯＳＴ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ＤＣ／ＤＣ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 ＤＣ／ＤＣ升压主电路 要采用恒压法在ＤＣ／ＤＣ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ＤＣ／ＤＣ电路，这样输出电压ｕｏ＝ｕ ／（１一Ｄ），其 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０～ｕＭＡｘ范围内，寻找到最 大功率点处的电压。 ４．２ ＤＣ／ＡＣ逆变电路的设计 ＤＣ／ＡＣ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ＤＣ／ＡＣ逆变电路 的设计无疑是采用全桥式结构为佳。 如图６ ＤＣ／ＡＣ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，从而使逆变桥获得ＳＰＷＭ驱动信号， 最后产生２２０Ｖ／５０Ｈｚ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 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 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 验，输出效率在８７．５％以上，波形失真度 ＴＨＤ＜３．２４％，输出电压有效值２２０Ｖ±２．６％，输出 ＳＰＷＭ的不断更新。 图６ ＤＣ／ＡＣ逆变电路结构图 在图６中，逆变桥的输出只是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 １ ｃ＝ ，其中ｆ０为截止频率，Ｒ为特性阻 抗，它与负载的关系为Ｒ＝（０．５～０．８）Ｒ ，通常取 经验值为０．５Ｒ 。由此可见，只要知道ｆ。和Ｒ，便 可以推导出Ｌ和Ｃ的值，工程上为了减小体积， 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０．ＴｍＨ。在进行 多次的老化实验下，样机的波形和频率如图７—９ 频率误差为４－０．５ＨＺ。试验结果表明该样机符合光 伏电源系统的执行标准 。 图７ ＴＬ４９４输出波形 ． 寸 ５ｍｓ／ｄｉｖ 图８高频变压器输出波形 妻 ２ｍｓ／ｄｉｖ 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 ［３】付文辉，罗健明．离网型太阳能发电系统的设计方法［Ｊ］．东 的矛盾有着深远的意义，随着光伏技术的发展， 方电气评论，２０１ １，９７（２５）：７０－７５． 我们深信光伏发电将会为人类作出更大的贡献。 ［４］许傲然，张柳．光蓄互补发电系统控制策略研究［Ｊ】．电力电 光伏逆变器作为光伏发电系统中的核心结构，其 子技术。２０１３（５）：６６—７０． 性能直接影响了光伏发电系统的发电效率，所以 ［５】李艳梅，黄科元．２００Ｗ便携式离网型太阳能光伏逆变电 只要我们能充分把握和理解光伏逆变主电路的拓 源的设计［ ．电源技术应用，２０１２，１５（７）：３９—４３． 扑结构以及正确选择两级逆变电路，才能设计出 ［６】张广辉．一种实用型户用光伏逆变器的设计［Ｊ］．科技创新 符合《家用光伏电源系统执行标准》要求的光伏 导报．２０１２（２０）：２２． 逆变 。 【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）：４９—５２． 参考文献： ［８］王鹤，杨宏，于化丛，崔容强．５００ＶＡ光伏逆变电源的研制 【１】沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术 ．北京：北京化学工 ［Ｊ】．电源技术应用，２００２，５（６）：３６－３８． 业出版社。２００５：３０—３４． 【２】王鹤，杨宏．光伏系统用中小功率逆变电源的现状与展望 【责任编辑：郑炯勋】 ［Ｊ］．电源技术应用，２００１（９）：３８－３９． Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｆｆ－ｇｒｉｄ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｑｉａｎｇ ，ＬＵ Ｘｕ－ｊｉｎ ，ＣＨＥＮ Ｇｕｏ－ｘｉｏｎｇ （１．Ｎａｎｙａ Ｎｅｗ Ｅｎｅｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｔｏｕ ５１５９００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ 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 ｅｆｉｆｃｉｅｎｔ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｏｕｇｈｔ．Ｉｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｎｇｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＳＴＣ ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｙｐｅ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ Ｃａｎ ｂｅ ｕｎｄｅｒ ｈｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｔｈｅ ＭＣＵ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＤＣ／ＤＣ ｂｏｏｓｔ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｆｉｌｔｅｒ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ３２０、‘ａｎｄ ｓｅｎｔ ｔｏ ａｆｔｅｒ ｌｅｖｅｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｏｒ ＤＣ／ＡＣ ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｐｒｏｄｕｃｅ ｓｉｎｅ ｗａｖｅ ｏｆ ２２０ ｖ／５０ ｈｚ ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｕｐｐｌｙ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ａｓ ｄｅｓｉｎｇ ｏｆｆ－ｇｒｉｄ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｍｅｄｉｕｍ—ｓｉｚｅｄ ｐｏｗｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｎｉｖｅｒｔｅｒ；ｂｏｏｓｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ