家用太阳能光伏发电逆变装置设计

家用太阳能光伏发电逆变装置设计

王海洋

江苏京彦科技有限公司

摘要：太阳能是一种新可再生能源，是目前传统能源最有效可行的替代性能源之一。分布式电站中以家用太阳能光伏发电为最主要市场和应用场景，家用太阳能光伏发电中的主要核心构成要素：光伏组件、逆变器、控制器及相关辅材构成，逆变器是其中的核心元器件。本文设计一套结构简单、成本低、相对效率高、输出电压电流稳定，电力质量高，系统响应及时的家用太阳能逆变装置。

太阳能光伏逆变器装置的两大类电路，第一是主要电路，第二是，保护检测电路。第一种主电路主要包含：SPWM波产生电路、驱动电路、逆变电路、DC_DC电路等，第二种保护检测电路主要包含：过电压保护电路、欠电压保护电路、过电流保护电路、故障报警保护电路等。在主电路中，SPWM波产生电路主要采用控制芯片EG8030，驱动电路采用IR2110芯片，逆变装置主要采用单相全桥逆变形式。家用太阳能光伏发电系统多数都是采用直流发电系统，我国工业和民用均采用交流供电，本设计中主要介绍家庭用逆变器装置，有助于推进太阳能光伏发电在家庭中的应用发展。

关键词：太阳能光伏；逆变器；全桥逆变；SPWM

1  绪论

随着传统化石能源的不断使用，环境污染越来越严重，温室气体大量排放，全球气温不断升高，人类社会正面临着前所未有的挑战。太阳能等新兴清洁能源，将有长足的发展和应用，特别是新能源中的太阳能光伏在能源消费的占比稳步提高，全球累计装机容量超过10000GW，截止2023年全年新增装机容量超过500GW，太阳能光伏发电有着无与伦比的发展空间和应用场景。

太阳能来自于太阳内部连续不断的核聚变，地球轨道的平均太阳辐射强度为1367KW/㎡。地球获得的能量可以达到约173,000TW。太阳能每秒照射到地球上的能源相当于500万吨燃煤。太阳能资源丰富。太阳能光伏逆变装置是有效利用太阳能转变为电能的重要技术环节。因此，研究和研发优质高效的太阳能光伏发电装置具有十分重要的实际应用意义和价值。

1.1  太阳能光伏发电发展的背景和重要意义

伴随着我国社会经济的不断发展，对能源的消耗不断增长，传统能源不可再生，污染大，要求我们社会发展中不断提高新能源的占比，其中太阳能是发展最迅猛的清洁能源。

太阳能光伏发电具有以下优势：

（1）安全、无噪声、无其他污染。

（2）可靠。太阳能光伏发电核心元器件可靠性高《有效寿命达到25年以上。

（3）运行维护成本低。安装简单，无人值守运管。

（4）兼容性高，可以根据需求而使用太阳能光伏电。

（5）标准化集成化程度高，适配不同用电需求。

（6）太阳能光伏适用各种发电场景并可以独立成网。

但是太阳能光伏发电能量密度小，对土地面积要求高，对光照要求高，建设期投资成本高，报废后污染物处理困难。

目前大面积应用产业化的是基于Si基的太阳能电池，其中单晶N型电池逐步发展为行业主流产品，其量产效率大于24.5%。度电成本低于火力发电。

1.2  逆变器装置的现状

逆变器变流器、反流器，是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V,50Hz正弦波）的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。逆变器装置是光伏发电系统中的重要组成，逆变器装置的性质决定了光伏发电系统输出电能的质量。伴随着逆变器装置的类型增多和控制技术的不断发展，促进了光伏发电系统在经济生活生产的各个领域的应用。

逆变器装置技术种类很多，按照不同形式进行分类主要有以下几种：

（1）按照逆变器装置的输出交流频率，可以分为工频逆变器、中频逆变器和高频逆变器装置。高频逆变器装置是采用高频变换技术，其优点是轻量化、噪音低、运转效率高。已经逐步成为太阳能光伏发电的主要变换方式，得到了广泛的应用，由于工频逆变器装置重量大、噪音大、运行稳定性差等缺点已逐步被淘汰。

（2）按照逆变器装置输出的相数，可以分为多相逆变、三相逆变、单相逆变。

按照逆变器装置的主开关形式，可以分为场效应管逆变器、IGBT逆变器、晶体管逆变器、晶闸管逆变器等。

（3）按照逆变器装置的主要电路形式，可以分为全桥式、半桥式、单端式、推挽式。

（4）按照输出的电量参数，可以分为电压型逆变器装置和电流型逆变器装置。

（5）按照控制方式划分，可以分为移项控制方式和PWM控制方式。移项控制方式的原理是，全桥变换电路的每一个桥臂的两个开关互补导通，两个开关的导通之间相差一个相位，通过调节此移相角度的大小，控制输出电压脉冲的宽度，达到调节输出电压的目标。利用单极性移相控制技术，控制高频脉冲环节逆变器装置，根据软开关的工作原理，控制各管的导通时刻与导通时间，使其能在零电压开启与关断模式工作，可以有效的降低器外开关损耗以及电磁干扰噪声。PWM控制采用脉宽调制控制方式，它的优势是控制灵活，实现简单。可以根据具体的要求，产生相应的控制波形。对谐波抑制、死区、调节输出电压等种方面有利。

太阳能光伏逆变器装置的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的效率和稳定性，随着光伏发电系统应用场景越来越多，人们对太阳能光伏逆变器输出电压的质量要求也越来越高，不仅要求逆变器的输出电压电流稳定可靠，而且要求其输出电压的正弦波度要求高，动态响应速度快。

2  家用太阳能光伏发电装置系统的整体方案

图2.1系统的整体电路结构图

整个家用太阳能光伏发电的硬件结构如图所示，其中内部主要含有充电控制模块功率回路模块、控制器等几个部分。在系统功率回路模块设计有高低压控制两个这部分模块含有的控制器为DC-AC全桥变换器、AC-DC整流电流、滤波器等几个部分组成。

光伏发电系统的工作原理为在自然光照下，太阳能电池板输出的电流储存到蓄电池内部，在经过全桥变换器转变为正弦波转变为脉宽的高频交流电压形式，

利用高频变压器提升其电压，桥式整流滤波器将其转变为仅含有正半周的正弦交

流电。再经过第二级全桥变换开关模块，通过50Hz开关频率转换模块，将内部

的一个正半波变换为负半波，最终变成正弦交流电力。

3  MPPT充电控制设计

本文研究将Buck降压DC-DC转换器充当MPPT充电控制装置，太阳能模块具体的功能是将电池组件板输出的直流电压通过蓄电池存储，由于外界光照的条件不稳定。通过Buck转换器模块，保证整个充电系统的工作稳定，包含浮充、阳光充足、阴雨天以及夜间四种工作模式。

3.1  太阳能光伏电压、电流采样电路设计

整个太阳能发电系统的工作效率受到太阳能利用率的影响较大，为提升电池组件板的输出功率，需要设计大功率跟踪技术，实时分析电池组件板的电路电流、电压，将其转换为微控制器的输入信号，含有的电压和电流分析电路结构。系统在采用高集成芯片后，仅仅需要一个采样的电阻与滤波电容，就可以将太阳能组件输出的电流转变为正电流，对于系统的控制精度大大提高。

3.2  太阳能光伏逆变系统功率的主回路设计

逆变器装置含有的主要装置为逆变器，不过逆变器模块的主要结构为控制电路结构。对于家用光伏发电系统，内部的电池组件板电压较低，对于大电流功率开关模块的额定电压数值比较低，所以家用逆变结构电压数值较低。应为家用电网为220V交流网络，需要提升这一部分电压，升压器结构主要是二级或三级的拓扑结构。家用太阳能光伏逆变器装置较宜采用DC-AC-DC-AC结构式单相电源型逆变器，系统的功率主回路的拓扑三级结构DC-AC-DC-AC结构，如图3.1所示：

图3.1系统功率的主回路设计框图

逆变器系统的功率模块通过高频升压装置将高压控制系统内部的低压模块隔离，隔离装置为DC-AC全桥转换结构，整定电流电路结构与输出滤波结构三个模块。内部的DC-AC含有的全桥转换器具有前后两级结构，前一级是功能变换结构，后一级为输出电压波形开关极性调节模块，同传统逆变器设计有较大功能优化。在变换器含有的主回流设计理念为将太阳能电池板输出的直流低压经过全桥变换器内部的SPWM脉宽调节算法转变为正弦半波的双极性交流电高方波，在经过桥式整流滤波之后变换为具有正半周的正弦交流电系统，其内部的二级全桥变换器开关，将其中含有的正半波转换为负半波，变换后为220V的交流正弦波电力。如图3.2所示：

图3.2全桥转换器原理图

3.3  DC-AC全桥转换器的设计

在系统主回路设计模块，通过DC-AC全桥设计变换器含有的前后两级，前级模块含有逆变结构，后级模块的功能为输出电压开关极性。对于每一级都设置四个功率开关器件，作为公路变化器件，其选型十分的重要，需要确定功率开关器件的额定电压与额定电流，考虑整个系统设计的散热思路，以及封装器件的半导体结构与环境之间具有的热阻、最大结温度等，为此本文将逆变器的高压控制模块与低压控制模块隔离开而设立。

前级的DC-AC全桥变换器的低压控制模块，而低压控制区域在没有经过高频变压器升压之前实际的工作电压就是蓄电池输出电压幅值范围12-14V。假如逆变器直接连接太阳能电池板，太阳能电池板输出功率为100W/12V的规格，输出的电流最大数值为10A。对于前一级的DC-AC全桥模块含有四个功率开关模块，其含有的电压等级在14V之上，额定的电流最小数值为10A，为此本文将前一级变换器的四个公开开关器件选择的为IRL系列，漏源模块的两个级之间具有的反向击穿的电压数值为55V。在栅源两级门槛的电压为10V为条件下，漏极电流的数值最大额为30A，在正常工作条件下可以满足实际的应用，完全的满足于低压控制区域下的电流电压需求。

图3.3前级全桥和后级全桥转换器

在后级DC-AC全桥变换器的高压控制模块，在这个模块的电路含有的逆变器结构为输出级，得到220V的正弦交流的电压，含有的最大输出电路为5A，对于后一级的DC-AC全桥变换器的四个功率都利用的IRF系列，内部的2.5KV以上的电气隔离能力，反向击穿电压为400V，漏极电流最大可以达到5.4A，正常的问题数值为-50——150℃，对于高温区域模块可以采用铝制金属片的模式用于系统的散热。

4  太阳能光伏发电系统的控制电路设计

4.1  stm32f103vc微控系统设计

对于stm32f103VC最小系统，含有供电系统、时钟系统以及复位系统、配置系统等，整个系统可以正常的运行，有效的处理数据，满足于光伏逆变系统的控制资源要求。内部含有TIMI4个独立的通道以及死区模块等，功能优势互补，满足于全桥电路驱动信号的PWM信息输出，内部的3个12位A/D转换器的时间大小为1us，可以开展电压电流信息的采集与分析。

4.2  驱动电路设计

图4.1IR2106驱动电路图

在系统结构内部的主回路具有前后两级的DC-AC转换模块，每个转换模块含有4个功率开关器件通过驱动电路驱动。本文为在不影响系统功能的条件下结构十分简单，采用的为MOSFET以及IGBT栅极驱动集成电路芯片结构。

4.3  保护电路设计

低压控制模块中包括DC-AC全桥变换器、驱动电路和STM32微控制系统。采用SPWM波脉宽调制算法，通过STM32微处理机对SPWM波（20kHz以上）进行处理。驱动电路驱动两桥臂上的MOSFET管，使太阳能电池板的输出直流低压转换为低电压。交流方波电压在高频和低电压。该模块的实际工作电压范围是电池输出电压的范围12V-14V。如果与太阳能电池板直接连接，工作电压范围约为12V，则属于低压控制区域。因此，高压控制模块的分离有利于STM32微处理器主控模块的安全保护和高压电路所带来的电磁干扰的有效隔离。如信号干扰，信息处理的有效性和精确性。

在高压控制模块中，包括桥式整流滤波电路模块、DC-AC全桥转换器电路模块、光电隔离电路和驱动电路。在高频变压器升压高频变压器后，由预级低压控制模块产生的高频低压交流方波转换为高压控制模块。然后，在桥式整流滤波电路被滤波后，将信号转换成具有正半波的正弦高压交流电。最后，将DC-AC全桥转换器转换为功。频率正弦交流电。整个模块电路的电压幅值是围绕正弦交流高压电路工作的。

结  论

随着家用太阳能光伏发电系统的不断发展，逆变器装置已经成为光伏发电系统的必备核心部件。特别是一些偏远地区的离线发电系统，由于居住分散、交通不便，一旦出了故障，极难维修。因此对太阳能光伏逆变器装置的要求是功能简单，坚固耐用。本文设计一套适用于家用小功率电器工作的太阳能光伏逆变系统，推进光伏发电技术应用到居民家居生活中，从根源上缓解能源需求问题。