| 标题 | 太阳能逆变器的设计 |
| 范文 | 摘 要 本文根据逆变器结构以及光伏发电阵列特点，首先提出基于DC/DC和DC/AC两级并网逆变器的结构，在设计中分别对两部分电路进行详细的分析和设计。在DC/DC变换器中，通过MPPT控制技术，采用BOOST升压电路对太阳能光伏阵列输出电压进行升压，并通过MATLAB进行仿真分析。 关键词 太阳能 逆变器 一、太阳能逆变器结构和原理 （一）并网系统结构分析 采用太阳能两级并网逆变器的结构在整个设计中，采用DC-DC变换器和DC-AC逆变器的两级转换，第一级DC-DC变换器，由MPPT控制Boost升压电路对太阳能电池的输出电压进行调控，最后达到最大功率跟踪控制的目的，并且将输入的直流电压等级升高。第二级DC-AC转换器，采用全桥逆变器。逆变器经过PWM调制，将高压直流转变为用户所需要的恒频恒压交流电。DC-DC变换器和DC-AC逆变器两级的控制目标和方法互不干预，整体控制比较简单。 （二）太阳能光伏电池 太阳能必须依靠能量转换装置才可以转换成电能，将光能转换为电能的能量转换装置即太阳能光伏电池。太阳能电池的基本原理是半导体PN结的光生伏打效应。该效应指在有阳光照射的情况下，物体内的电荷移动而产生的电动势和电流的一种效应。如果有阳光照射半导体PN结，那么PN结的两边就产生电压，称该电压为光生电压，使PN结短路则产生电流。 （三）DC-DC变换器工作原理 DC-DC变换器电路包括以下6种：Buck降压、Boost升压、Buck-Boost升降压、Cuk、Sepic和Zeta变换器。在交流电路中，电源电压周期性地经过零，并且变换为相反方向，所以可以采用半控制型开关晶闸管，通过脉冲的相位控制晶闸管开关的导通和关断时间，从而调控交流输出电压，但是在实际直流电源系统中，电源电压不会经过零，因此采用全控型开关来控制电路的导通和关断，最终达到直流变化的目的。 Boost电路可以持续输入电流，而且对电源的电磁干扰相对较小，但是输出端的二极管电流输出波形的波动范围相对较大，所以一般会在输出端并联一个电容作为滤波器来减小输出电压的变化。Boost升压逆变器是一种全控元件的电路，首先假设电感L极大，电容C无穷大，那么当晶体管V接通（接通时间为ton）时：电源E对电感L充电，该时间段电流I1保持不变，与此同时电容C对负荷R供电，而且输出的电压Uo也保持不变；当晶体管V关断（关断时间为toff）时：电源E和L同时对电容C充电，且对负载R供电。 （四）DC-AC逆变器工作原理 DC-AC逆变电路类型有：单相桥式逆变电路、全桥型逆变电路、三相电压型桥式逆变器电路。我们选择的是全桥逆变器，因为该电路具有以下特点： 第一，输入端是电压源或者并联的大电容，直流端的电压几乎没有波动。第二，输出的电压是矩形波，输出的电流随连接的负荷阻抗变化而变化。第三，逆变桥各臂并联二极管。因为负荷呈电感性时会吸收无功，就必须给输出端向输入端反馈的无功提供通道。 二、仿真实现 （一）整体仿真和运行环境 在MATLAB2010b环境下，建立了太阳能逆变器设计的仿真模型。从太阳能逆变器设计的整体仿真来看，该模型整体结构为：太阳能光伏电池提供电压，对其电压和电流采样检测，然后通过Boost升压变换器，其中变换器由对太阳能电池的MPPT最大功率跟踪控制，输出高电压等级直流，再通过PWM脉冲信号控制的逆变器输出交流，对交流进行滤波后采样电压、电流，最后接入电网。 考虑Simulink仿真其实是一个计算机程序，它诠释了我们想要仿真模块的微分和差分方程，按照不同算法的特征、仿真性能与适用范围，本设计选择固定步长（Fix-step）中的ode3（Bogacki-Shampine）算法，设置步长为1e-6。Ode3是离散系统算法，离散discret是不包括积分运算的固定步长算法，对非连续性的仿真模型具有很大的实用性。仿真运行从0时刻开始，运行时长0.3S。 （二）电池参数和仿真 电池是太阳能逆变器仿真运行时电能的来源，需要对其参数进行合理的设置。本文中太阳能电池主要参数如下：光照强度Sref=1KW/m2，电池温度Tref= 25℃，基于光照强度Sref、电池温度Tref数值的前提下，设定电池开路电压VOC= 215V，短路电流ISC=12.66A，功率达到最大时的电压Vm=175V，功率达到最大时的电流Im=11.82A，Pm=2068.5W。考虑外 界环境影响，引入平衡系数a=0.0126，b= 0.625，等效串联电阻Rs=0.2Ω。 （三）Boost变换器和MPPT仿真 Boost变换器仿真，由IGBT、二极管、电感、电容和滤波电容组成，参数值：电感为9e-5L，输入端电容和输出端的滤波电容都为200e-6F；IGBT参数：内部阻力为1e-3，阻尼器电阻为e5Ω，阻尼器电容无穷大。其中IGBT通过栅极g由脉冲信号控制开关的导通和关断，输入栅极g的脉冲信号是基于在MPPT仿真模型控制中由PWM触发脉冲电路提供。 MPPT扰动测量法输入端的电压、电流分别经过采样保持器保留一个周期，然后经比较该时刻的输出功率P（N）和前一时刻的输出功率P（N-1）的数值，判断下一步的动作是增大还是减少输出电压来控制输出功率，把该时刻和上一时刻的功率差值和电压差值经过符号函数然后相乘，乘积得到的数值作为改变控制触发脉冲占空比α的参考电压Ub，即变化步长（Ub）的信号，并且此时的步长作为PWM脉冲信号模块的输入信号，和PWM脉冲模块输出脉冲信号占空比α成正比。想要改变占空比α的值，只需要改变步长Ub即可，而改变步长的同时也就使电池的输出功率逐渐增加，直到最大，即实现了MPPT最大功率跟踪控制。 （四）DC-AC逆变器仿真 把与电网同频同相的电压、电流的值作为指令值输入，检测后通过dq0-abc坐标变换，再由PWM调控、门电路处理，得到相应的驱动信号来控制开关的导通与关断，最后输出负载所需要的固定幅值和与频率的交流电压。 当整个设计从电池输出电压、电流到MPPT控制的变换器，再经过PWM调制的逆变器后，就达到了我们所要的目的，输出交流电压、电流。在逆变器的输出端接有滤波器和电压、电流采样模块，通过示波器可以观察到输出电压和电流的波形。 三、结语 当今世界能源短缺问题非常严重，人们一直再努力研究开发新能源，毫无疑问风能、潮汐能、地热能、太阳能等可再生能源成为人们的主要研究对象。而太阳能是新能源的重要能源之一，它清洁、易实现，因此光伏并网发电就具有了深远的理论价值和现实意义，而连接光伏阵列和电网的光伏逆变器，则是整个光伏并网发电系统的关键。实现太阳能最大功率的跟踪控制，使太阳能光伏发电有效利用率达到最大，将太阳能转化为直流电流，再通过逆变器转换为交流电并入电网，可以有效减轻能源紧缺问题。 （作者单位为国网四川省电力公司凉山供电公司） [作者简介：邓荣萍（1991—），女，本科，变电站值班员，主要从事变电站运行维护工作。] 参考文献 [1] 马兆彪.太阳能光伏并网发电系统的分析与研究[D].无锡：江南大学，2008. [2] 陈坚.柔性电力系统中的电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012. [3] 李春鹏，张廷元，等.太阳能光伏发电系统综述[J].电工材料，2006. |
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