太阳能光伏逆变器设计及制作

1、电力电子技术课程设计目 录0 引言21 伏逆变器的概述21.1 逆变的概念21.2 逆变的分类21.2.1按逆变器输出交流电能的频率分类21.2.2按逆变器输出的相数分类21.2.3按照逆变器输出电能的去向分类21.2.4按逆变器主电路的形式分类31.2.5按逆变器主开关器件的类型分类31.2.6按直流电源分类31.2.7按逆变器控制方式分类31.2.8按逆变器输出电压或电流的波形分类31.2.9按隔离方式光伏逆变器分类31.3 逆变器的特点31.3.1要求具有较高的效率31.3.2要求具有较高的可靠性41.3.3要求输入电压有较宽的适应范围42 光伏逆变器的工作原理42.1 桥式逆变电路图4

2、2.2 正弦脉宽调制技术52.3 sg3525的内部结构62.4 sg3525的工作原理82.5 伏逆变器的主要技术指标82.5.1额定输出电压82.5.2输出电压的不平衡度82.5.3输出电压的波形及失真82.5.4额定输出频率92.5.5载功率因数92.5.6定输出容量92.5.7定输出效率92.5.8载能力92.6 sg3525与sg3524主要区别92.7 sg3525的输出结构103 逆变器控制框图114 太阳能光伏逆变器的电路图125 太阳能光伏逆变器的pcb图136 逆变的仿真及结果147 光伏逆变器的工程安装流程158 光伏逆变器的应用169 光伏逆变器的发展前景1610 个人

3、心得17参考文献18附录18太阳能光伏逆变器设计及制作摘要：光伏发电系统是由光伏电池板产生电能并将其转换成负载所能使用的电能的一种装置。本文所设计的太阳能光伏逆变器主要介绍了太阳能光伏逆变器的原理与逆变器的设计过程，逆变器成功的将光电转换0-220v的工频交流电供用户使用。同时，介绍了太阳能光伏逆变器的应用与工程安装流程，最后对其发展前景进行了展望。关键词：光伏发电 逆变器 直流升压 工程应用 发展前景0 引言太阳能光伏发电系统是由阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要

4、功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用spwm处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。随着电力电子元器件的逐步发展，对于功率较小的系统， 高频光伏逆变装置已经得到了广泛的使用，高频光伏逆变装置一般是用dcdc高频升压电路先将电压升到高电压再进行dcac逆变，从而获得用户所需要的正弦交流电，有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。1 伏逆变器的概述1.1 逆变的概念通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能

5、变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。1.2 逆变的分类光伏逆变器按宏观可分为：普通型逆变器；逆变/控制一体机；邮电通信专用逆变器；航天、军队专用逆变器。1.2.1按逆变器输出交流电能的频率分类工频逆变器:工频逆变器的频率为的逆变器；中频逆器:中频逆变器的频率一般为到十几；高频逆变器:高频逆变器的频率一般为十几k到；1.2.2按逆变器输出的相数分类单相逆变器三相逆变器多相逆变器1.2.3按照逆变器输出电能的去向分类有源逆变器：当交流侧直接接在电网上，即交流侧接有电源时，就称为有源逆变。无源逆变器：当交流侧直接和负载相接时，称为

6、无源逆变。1.2.4按逆变器主电路的形式分类单端式逆变器推挽式逆变器半桥式逆变器全桥式逆变器1.2.5按逆变器主开关器件的类型分类晶闸管逆变器晶体管逆变器场效应逆变器绝缘栅双极晶体管（igbt）逆变器1.2.6按直流电源分类电压源型逆变器（vsi）电流源型逆变器（csi）1.2.7按逆变器控制方式分类调频式（pfm）逆变器调脉宽式（pwm）逆变器按逆变器开关电路工作方式分类谐振式逆变器定频硬开关式逆变器定频软开关式逆变器1.2.8按逆变器输出电压或电流的波形分类方波逆变器阶梯波逆变器正弦波逆变器1.2.9按隔离方式光伏逆变器分类独立光伏系统逆变器独立逆变器包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用

7、电源系统，通信信号电源，阴极保护，太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统。并网光伏系统逆变器并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。通过光伏组件将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。1.3 逆变器的特点1.3.1要求具有较高的效率由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。1.3.2要求具有较高的可靠性目前光伏电站系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如

8、 ：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。1.3.3要求输入电压有较宽的适应范围由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12v的蓄电池，其端电压可能在10v16v之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作。2 光伏逆变器的工作原理逆变装置的核心，是逆变开关电路，简称为逆变电路。该电路通过电力电子开关的导通与关断，来完成逆变的功能。如图1所示：图1 逆变器简单原理图2.1 桥式逆变电路图逆变桥是将直流电转换为50hz交流电的关键装置。本文的所设计的逆变装置功率较小，对设备器件参数要求略低，所以选用po

9、wer mosfet作为功率开关器件，可以在完成设计要求的前提下降低整个装置的成本。桥式逆变电路图如图2所示：图2 桥式逆变电路图2.2 正弦脉宽调制技术采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。pwm控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。如果把一个正弦半波分成n等分，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积，用与它等面积的等高而不等宽

10、的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等分的中点重合，根据冲量相等，效果相同的原理，这样的一系列的矩形脉冲与正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周也可以用同样的方法得到pwm波形。像这样的脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的pwm波形就是spwm波。spwm 有两种控制方式，一种是单极式，一种双极式，两种控制方式调制方法相同，输出基本电压的大小和频率也都是通过改变正弦参考信号的幅值和频率而改变的，只是功率开关器件通断的情况不一样，采用单极式控制时，正弦波的半个周期内每相只有一个开关元器件开通或关断，而双极式控制时逆变器同一桥臂上下两个开关器件交替通断，处于互补工作方式，双极式比单极式调制输

11、出的电流变化率较大，外界干扰较强。单相桥式spwm 逆变电源采用单极式倍频调制方式时的输出spwm 波形如图6 所示，它是采用2个相位相反的而幅值相等的三角波与一正弦波相比较，可看成将三角载波进行全波整流（将虚线三角波沿x 轴往上翻）,再由正弦波进行调制，得到了2 个二阶spwm 波，使2 个二阶spwm 波相减，就可得到三阶spwm 波，即在调制波正半周，三阶spwm 波主要由ug1 和ug3 相减得到，在调制波的负半周，三阶spwm 波主要由ug2 和ug4 相减得到。图3 单极性倍频式spwm 控制波形2.3 sg3525的内部结构sg3525是用于驱动n沟道功率mosfet。sg352

12、5是电流控制型pwm控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器，其原理图如图4所示。图4 sg3525内部电路图图5 sg3525内部结构图图6 sg3525引脚图(1)inv.input(引脚1)：误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚9）相连，可构成跟随器

13、。(2)noninv.input(引脚2)：误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。(3)sync(引脚3)：振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。(4)osc.output(引脚4)：振荡器输出端。(5)ct(引脚5)：振荡器定时电容接入端。(6)rt（引脚6）：振荡器定时电阻接入端。 (7)discharge(引脚7)：振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。(8)soft-start(引脚8)：软启动电

14、容接入端。该端通常接一只5 的软启动电容。(9)compensation(引脚9)：pwm比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。(10)shutdown(引脚10)：外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。 (11)output a（引脚11）：输出端a。引脚11和引脚14是两路互补输出端。 (12)ground(引脚12)：信号地。(13)vc(引脚13)：输出级偏置电压接入端。(14)output b（引脚14）：输出端b。引脚14和引脚11是两路互补输出端。 (15)vc

15、c（引脚15）：偏置电源接入端。 (16)vref(引脚16)：基准电源输出端。该端可输出一温度稳定性极好的基准电压。2.4 sg3525的工作原理sg3525内置了5.1v精密基准电源，微调至 1.0%，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。sg3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在ct引脚和discharge引脚之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于sg3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。 sg3525的软启动接入端（引脚8）上通常接一个5 的软启动电容。上电过程中，由于电容两

16、端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的pwm比较器反向输入端处于低电平，pwm比较器输出高电平。此时，pwm琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，sg3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致pwm比较器输出为正的时间变长，pwm琐存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态

17、。反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当shutdown（引脚10）上的信号为高电平时，pwm琐存器将立即动作，禁止sg3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，shutdown引脚不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响sg3525的正常工作。 欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在sg3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。 此外，sg3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成pwm脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到

18、来，pwm琐存器才被复位。 2.5 伏逆变器的主要技术指标2.5.1额定输出电压在光伏系统中，太阳电池发出的电能先由蓄电池储存起来，然后经过逆变器逆变成220v或380v的交流电。但是蓄电池受自身充放电的影响，其输出电压的变化范围较大，如标称12v的蓄电池，其电压值可在108144v之间变动(超出这个范围可能对蓄电池造成损坏)。对于一个合格的逆变器，输入端电压在这个范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的5，同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的10。2.5.2输出电压的不平衡度在正常工作时，逆变器输出的三相电压不平衡度不应超过5%-8%。2.5.3输出电压的波形及失

19、真对正弦波逆变器，应规定允许的最大波形失真度(或谐波含量)。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值应不超过5(单相输出允许l0)。由于逆变器输出的高次谐波电流会在感性负载上产生涡流等附加损耗，如果逆变器波形失真度过大，会导致负载部件严重发热，不利于电气设备的安全，并且严重影响系统的运行效率。2.5.4额定输出频率逆变器输出频率应相对稳定，如工频50hz，正常工作时偏差不应超过1% 。国标gb/t 190642003规定的额定输出频率应在49-51hz之间。2.5.5载功率因数表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。正弦波逆变器的负载功率因数为0709，额定值为09。在负载功率一定的情况下，如果逆

20、变器的功率因数较低，则所需逆变器的容量就要增大，一方面造成成本增加，同时光伏系统交流回路的视在功率增大，回路电流增大，损耗必然增加，系统效率也会降低。2.5.6定输出容量额定输出容量指当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压和额定电流的乘积。2.5.7定输出效率额定输出效率是指在规定的工作条件下，输出功率与输入功率之比，通常应在70%之上。逆变器效率会随负载率而变化，往往在负载率低于20%和高于80%时，效率要低一些。为了提高能源的利用率，逆变器的效率应达到一定的要求。标准规定了逆变器的输出功率在大于等于额定功率75%时，效率应大于等于80%。2.5.8载能力要求逆变器在特定的输出功

21、率条件下能持续工作一定的时间。带载能力的标准规定如下：输入电压与输出功率为额定值时，逆变器应连续可靠工作4h以上；输入电压与输出功率为额定值的125%时，逆变器应连续可靠工作1min以上；输入电压与输出功率为额定值的150%时，逆变器应连续可靠工作10s以上。2.6 sg3525与sg3524主要区别 作为sg3524的增强版本，sg3525在以下方面进行了改进。 （1）增加欠电压锁定电路当sg3525输入电压低于8v时，控制器内部电路锁定，除基准电源和一些必要电路之外的所有电路停止工作，此时控制器消耗的电流极小。（2）增加了软启动电路引脚8为软启动控制端，该端可外接软启动电容。软启动电容由s

22、g3525内部50 的恒流源进行充电。（3）提高了基准电源的精度sg3525中基准电源的精度提高了1%，而sg3524中基准电源的精度只有8%。 （4）去除了限流比较器sg3525去除了sg3524中的限流比较器，改由外部关断信号输入端（引脚10）来实现限流功能，同时还具有逐个脉冲关断和直流输出电流限幅功能。实际使用中，一般在引脚10上接电流检测信号，如果过电流检测信号维持时间较长，软启动电容将被放电。 （5）pwm比较器的反向输入端增加至两个在sg3524中，误差放大器输出端、限流比较器输出端和外部关断信号输入电路共用pwm比较器的反向输入端。在sg3525中对此进行了改进，使误差放大器输出

23、端和外部关断信号输入电路分别送至pwm比较器的一个反向输入端。这样做的好处在于，避免了误差放大器和外部关断信号输入电路之间相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度提高。 （6）增加了pwm琐存器为了使关断电路更可靠的工作，sg3525在其内部增加了pwm琐存器。pwm比较器输出信号首先送至pwm琐存器，琐存器由关断电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。当关断电路工作时，即使过电流信号立即消失，琐存器也可以维持一个周期的关断控制，直到下一周期时钟信号使琐存器复位为止。同时，由于pwm琐存器对pwm比较器的置位信号进行琐存，误差放大器上的噪声信号、振铃及其他信号在此过程中都被消除了。只有在下一个

24、时钟周期才能重新复位，可靠性大大提高。（7）震荡器增加了同步端和放电端。sg3524中的振荡器只有ct和rt两个引脚，其充电和放电回路是相同的。在sg3525中的振荡器除了ct和rt两个引脚外，又增加了一个同步端（引脚3）和一个放电端（引脚7）。rt的阻值决定了内部恒流源对ct充电电流的大小，而ct的放电则由引脚5和引脚7之间的外接电阻决定。将充电回路和放电回路分开，有利于通过引脚5和引脚7之间的外接电阻来调节死区时间。这样sg3525的振荡频率由下式进行计算： fosc=1/(0.7*rt+3rd)*ct 同步端（引脚3）主要用于多只sg3525之间的外部同步，同步脉冲的频率应比震荡频率fo

25、sc略低一些。 （8）改进了输出级的结构。sg3525对sg3524输出级进行了改进，以适应功率mos-fet的需要，其末级采用了推挽式电路，关断速度更快。 2.7 sg3525的输出结构sg3525的输出级采用图腾柱式结构，其灌电流/拉电流能力超过200ma。在单端变换器应用中，sg3525的两个输出端应接地，如图7所示：图7 单端变换起输出电路当输出晶体管开通时，r1上会有电流流过，r1上的压降将使vt1导通。因此vt1是在sg3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于sg3525内部振荡器的频率。当输出晶体管开通时，r1上会有电流流过，r1上的压降将使vt1导通。因此v

26、t1是在sg3525内部的输出晶体管导通时间内导通的，因此其开关频率等于sg3525内部振荡器的频率。当采用推挽式输出时，应采用如下结构，如图8所示:图8 推挽式输出图vt1和vt2分别由sg3525的输出端a和输出端b输出的正向驱动电流驱动。电阻r2和r3是限流电阻，是为了防止注入vt1和vt2的正向基极电流超出控制器所允许的输出电流。c1和c2是加速电容，起到加速vt1和vt2导通的作用。 由于sg3525的输出驱动电路是低阻抗的，而功率mosfet的输入阻抗很高，因此输出端a和输出端b与vt1和vt2栅极之间无须串接限流电阻和加速电容，就可以直接推动功率mosfet，如图9所示：图9 驱

27、动功率mosfet图另外，sg3525还能够直接驱动半桥变换器中的小功率变压器。如果变压器一次绕组的两端分别直接接到sg3525的两个输出端上，则在死区时间内可以实现变压器的自动复位，如图10所示：图10 直接驱动小功率变压器电路图3 逆变器控制框图逆变器的控制框图中参考电压vref与光伏电池实际输出电压vdc相比较后，误差经pi调节得到电流指令i*，再与正弦波形相乘得到正弦指令iref，iref与实际输出的电流相比较后，误差经p调节后得到的值(物理意义上就相当于逆变器输出侧电感上产生的电压)与网压vac(t)相加得到的波形与三角波比较，便产生了4路pwm波控制逆变器开关管的通断，这样就实现了

28、光伏电池输出电压基本工作在vref附近，系统输出正弦电流波形幅值为i*。图11 逆变器控制框图4 太阳能光伏逆变器的电路图根据设计所需，我们利用软件绘制出太阳能光伏逆变器的电路图，并绘制出其pcb板图，以原理图为基础按照所绘制的电路图焊接出实物电路板，利用所写原理实现其自身功能。最后，对其进行调试与改进。12 太阳能光伏逆变器的电路图5 太阳能光伏逆变器的pcb图图13 太阳能光伏逆变器的pcb图6 逆变的仿真及结果根据设计的逆变原理图，我们利用相关软件对其进仿真，下面是我们的仿真结果。图14 仿真及其结果图7 光伏逆变器的工程安装流程图15 逆变器的总体安装流程图 逆变器的总体安装流程如图1

29、5所示，安装流程说明如表1 所示： 表1 安装流程说明8 光伏逆变器的应用表2 光伏逆变器国内主要的应用领域9 光伏逆变器的发展前景并网光伏项目是光伏逆变器的主要应用领域，从项目建设地域来看，项目主要集中在北京、西藏、深圳、上海等地，目前光伏发电项目大多处于示范期，多集中在经济发达城市，随着技术的成熟和国家政策的扶持，预计未来将向中西部光照资源丰富地区发展 。2009年4月份以来，国家发改委的不同级别的领导多次表示将出台新能源发展规划。各种媒体预测的新能源规划中，到2010 年光伏发电总容量达到250mw，到2020年达到2000mw，将极大支持我国光伏产业的发展。按照这一发展目标，预计200

30、92010年国内光伏发电用逆变器的市场规模将达到130mw左右。2011年以后，国内光伏逆变器的年均需求量在100mw以上。10 个人心得本次的电力电子技术课程设计，令我感慨颇丰。本次课程设计与以往的实验设计等有很大的不同，那就是这次的课程设计是完全自主的学习设计。我们以给定的设计题目为出发点，进行创新设计，最终设计没有一定确定的答案，让大家可以根据自己不同的见解进行设计。并且，课程设计所用的知识主要是这学期学习到的基础知识的综合应用，我们可以根据要求选择不同的参考资料，请教不同学科的老师，将所学到的知识进行实践整合以及吸收。通过这次课程设计我有一下几点感悟与心得：通过此次课程设计，我对电力电子技术中整流和逆变的原理及应用有了更深刻的理解，将课本上所学的理论知识用到工业实践中，在做逆变时也加入了整流电路，对电力电子技术的综合应用