光伏逆变电源的设计

魏红艳   黑龙江省安装工程公司   150040
摘要  光伏发电技术是全新的绿色能源技术，具有十分广泛的发展前景。在光伏发电系统中，逆变电源是重要的组成部分，很大程度上决定了光伏的性能。传统逆变电源采用工频变压器升压输出，由于体积大、价格贵等缺点，很难适应市场需求。本文对光伏逆变电源作了全新的设计。
关键词  光伏  逆变电源  设计
        随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大化石燃料更是有限，它们在21世纪内就会濒临枯竭，产生能源危机，还会造成全球的环境问题。因此自然能发电技术的应用受到越来越普遍的重视。太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量。太阳能直接辐射到地球的能量丰富，分布广泛，可再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。中国太阳能资源较好的地区主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原。自20世纪70年代起中国在探索太阳能光伏发电技术方面有所突破。如利用广阔的荒漠建立大型光伏并网发电系统，同时在建筑上向光伏幕墙屋顶进军，将那些闲置的空间和太阳能资源利用起来推出一个中国的太阳能计划。中国拥有丰富的太阳能资源，目前的开发利用量只占可开发量的很少一部分，具有广阔的发展前景。
        1．光伏逆变电源的系统比较
        就目前市场上常见的产品而言，光伏逆变系统的结构主要有以下三类：(l)工频变压器形式主电路。即单级结构(DC-AC)，将直流电压逆变成有效值基本不变的交流电，再由工频变压器升压得到220V交流电压。这种电路效率比较高(可达90%以上)，可靠性高、抗输出短路的能力较强，但是它响应速度比较慢，波形畸变严重，带非线性负载的能力比较差，噪声大。由于采用工频变压器，体积庞大，质量大，价格也比较昂贵。目前市场上的国产逆变器的主流产品都是这一类的。(2)高频变压器形式：即三级结构(DC-AC-DC-AC)。主电路分为高频升压和工频逆变，系统相对复杂。DC-AC-DC部分：首先将直流电压逆变成高频交流电，经高频变压器升压，再整流滤波得到一个稳定的高压直流电(一般300V以上)。DC-AC部分：高压直流通过工频逆变电路实现逆变得到220v或者是380v交流电。系统逆变效率可以达到90%以上，由于这种电路形式采用了高频变压器，体积、重量、噪声等均明显减小。该电路的缺点就是电路相对复杂。（3）无变压器形式：即两级结构(DC-DC-AC)。将直流电经过非隔离变化后得到高压直流，再工频逆变得到交流电。不采用变压器进行输入和输出的隔离，体积小、重量轻、效率高而且系统也不复杂、成本低。但是由于没有采用变压器实现隔离，存在不安全因素，为了进行保护和防止电磁干扰，要采取许多防护措施。因此隔离及保护部分的设计是难点。
        2．系统逆变电源整体方案
        文中设计的逆变电源性能指标，输入电压在10.5V～14．5V之间，超出该工作范围，逆变电源便进入保护工作状态停止工作，输出电压为220V±5%，频率为50Hz的正弦波。为了保证系统电源安全可靠的工作，输入输出之间采用高频变压器隔离的设计方案，并能实现输入欠压、过压保护，过电流保护，短路和过载、过温保护。主要包括推挽升压电路和全桥逆变电路，蓄电池输出的直流电压(10．5V～14．5V)，通过推挽拓扑和高频变压器组合电路完成直流隔离升压，并通过调节PWM信号的占空比使输出电压稳定在370V，前级PWM波形由经典集成电路KA3525产生，后级SPWM驱动波形由新型集成电路TDS2285输出两路50Hz的信号并经过光电耦合器TLP250产生四路驱动信号来驱动全桥逆变电路，将高压直流变换为工频交流220V/50Hz输出，各保护模块均采用硬件电路完成相关功能设计。
        3．直流升压电路
        该模块电路主要完成将低压直流转换成高压直流，为后级的逆变桥提供足够的电压。电路主要采用推挽拓扑加高频变压器的组合电路；根据推挽拓扑的特点可知，功率开关在应用时承受电压高，变压器利用率低，因此推挽拓扑通常不利于电源的离线应用；但如果输入电压较低，因为任何情况下只有一个功率元件与电源和高频变压器原边绕组串联，整个输入电压加在变压器线圈的半个绕组上，因此，在输入功率相同的情况下，和其他拓扑结构相比，推挽拓扑结构的开关损耗更低。根据逆变电源的输出功率要求，输入功率为，则输入最大电流为，考虑选择器件的原则及反耐压值，功率管选择IRF3205（参数为100A/55V）。二极管和电阻R87、电容C25构成尖峰吸收电路，如图所示，高频变压器原边接成推挽形式，副边接成桥式整流，整流二级管D23~D26选择型号为HER208的高效快速整流二极管，经大电解电容滤波后，可以得到370V的直流电压。
        

        图1后级逆变原理图
        4．全桥逆变电路
        全桥逆变电路主要由逆变桥及其驱动电路和输出LCL滤波器组成，当前级得到370V直流电压加在逆变桥上时，经由四只功率MOSFEET组成的逆变电路，变成工频220V/50Hz输出，由于MOSFEET的驱动波形为SPWM信号，故逆变器输出为标准正弦波，从而大大减少了输出信号的谐波含量和尖峰脉冲，电源整体性能更加稳定。全桥逆变电路驱动波形SPWM波形是由新型集成电路TDS2285产生，该芯片工作频率为20kHz，其输出引脚可持续输出20mA的负载能力，内置可以单独关闭前级的引脚，具有独立的交流输出电压、电流反馈控制功能和故障报警功能电路。全桥逆变电路原理如图1所示。根据电源输出功率和工作特性，逆变桥功率器件Q4～Q7选择型号为IRF840的N沟道MOSFEET。由TDS2285产生两路SPWM信号，再经过光电耦合器TLP250分成四路驱动信号驱动MOS管工作，完成高压直流到工频交流的逆变。系统输出的谐波主要为载波频率附次数的谐波，输出采用LCL低通滤波方式，其中电感值为1mH，电容为4μf/400V。
        5．各保护模块电路
        为了使系统更加安全可靠的运行，保护电路的设计是非常有必要的，本电源系统在完成系统模块的基础上同步设计了过流过载、过压、过温保护电路模块，系统性能更加安全可靠。（1）过流保护模块电路.过流过载保护模块电路采用LM324设计，2脚接电流检测端，正常情况下，运放LM324脚1输出低电平，二极管D3截止；当系统发生过流或过载时，运放同向输入端电压大于反向输入端，从而脚1输出高电平，二极管D3导通，和集成芯片TDS2285一起完成过流过载保护功能。（2）过温保护模块电路。过温保护模块，通过在运放反向输入端接入热敏电阻RT=10K，利用其热敏特性，进行温度检测，其工作过程分为两个阶段，当系统温度低于40度时，运放输出低电平，系统正常工作；当系统温度高于40度时，热敏电阻RT阻值也发生变化，致使反向输入端电压低于同向输入端，从而运放脚8输出高电平，利用三极管的放大功能启动风扇；当系统温度高于71度时，运放脚14输出高电平，和集成芯片TDS2285一起关断后级驱动波形，完成过温保护功能。
        文中利用芯片KA3525和新型集成芯片TDS2285，外加外围辅助电路设计了一款300W的光伏逆变电源。整机完成安装后，对其实验验证测试，测试结果显示，在正常输入电压范围内，电源输出完美正弦波，异常情况下，各保护模块也能及时响应，完成系统保护功能，通过实验数据统计分析，该电源效率可达到85%以上，具有积极的社会效应和广阔的应用前景。

参考文献 
【1】冯垛生．太阳能发电原理与应用［M］．北京:人民邮电出版社，2007．
【2】陈道炼．DC/AC逆变技术及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2009．