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研究单相光伏并网逆变电源设计

2023-11-30 62 上传者：管理员

摘要：光伏并网逆变电源可以将光伏发电系统产生的电能并入电网中，为传统发电方式提供了可再生能源替代方案。通过实施光伏并网，可以减少对煤、石油等非可再生能源的依赖，降低能源供应的成本和环境污染。以单相光伏并网逆变电源为研究对象，对其升压电路、全桥逆变电路和最大功率点跟踪控制进行研究，在Matlab/Simulink仿真环境下进行仿真实验。运行结果显示，该电源能够输出稳定的工频交流电能，对提高光伏相关技术应用水平，降低能源消耗，推动节能减排、保护环境和促进可持续发展具有积极意义。

关键词：
不可再生能源
仿真
光伏发电
最大功率点跟踪
逆变器
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随着全球不可再生能源枯竭问题的日益加剧，开发利用绿色环保的新能源正成为当今社会关注的热点。在众多的新能源中，太阳能分布广泛，可以循环利用，是一种理想的可再生能源。随着光伏产业的发展和光伏相关技术的进步，太阳能逆变电源的性能也在逐步得到提高和完善。

由于由太阳能经太阳能电池转换的直流电不够稳定，必须通过太阳能逆变电源的逆变处理，转换成稳定的交流电后才能被使用。由此可见，太阳能逆变电源是太阳能光伏电池板和电网或负载之间的桥梁，在整个光伏发电系统中处于关键地位[1]。

1、并网型光伏逆变电源系统组成

光伏发电是由多模块构成的复杂系统，其中的光伏阵列将光能转换为电能。由于受到光照温度等因素的影响，转换成的直流电是不稳定的，需要通过直流-直流(DC-DC)电路升压，再经过 DC-AC 逆变电路逆变，最后得到可以向电网输送的工频交流电。并网型太阳能逆变电源与电网相连，逆变器对不稳定的直流电进行升压、整流、逆变处理，转换成稳定交流电，输送给电网[2]。太阳能逆变电源的硬件结构如图1所示。

图1 光伏并网逆变系统的硬件结构框图

整个光伏并网逆变器由两大部分组成。右边模块是电路的主要部分，包括Boost 升压电路和全桥逆变电路。左边部分是整个逆变系统的控制模块，DSP芯片在控制电路中起着关键作用。

2、主电路拓扑结构

2.1 升压电路

DC-DC升压电路的作用是对直流电进行电压变换。在多种常用升压电路中，Boost 斩波电路的输入输出都有电感，不能突变的电感电流是连续的，不存在断续问题，因而本文选用Boost型电压变换电路，如图2所示。只要开关管以一个开通和关断的时间为周期进行往复的通断过程，就可以在电容两端得到升高的电压，就可以把输入电压进行升压变换，得到所需的电压。

图2 Boost升压电路原理图

2.2 逆变电路

直流电经直流-交流(DC-AC)逆变电路转换成交流电，向电网输送电能。单相DC-AC逆变器由两种拓扑结构，即半桥逆变电路和全桥逆变电路[3]。全桥逆变电路由4个驱动管组成，比半桥逆变电路多了2个，因而具有较高的能源利用效率。若要输出同样幅值的电压，则半桥逆变电路需要的输入电压是全桥逆变电路的2倍。本文选用全桥逆变电路作为 DC-AC 逆变电路[4,5]。全桥逆变电路原理图如图3所示。

图3 全桥逆变电路原理图

在全桥逆变电路中，位于对角线上的两个开关均被接通，同一侧桥臂的两个开关则轮流被接通，输出端得到交流电压。调整开关的占空比，可以改变输出电压的大小。在全桥逆变电路的输入端施加400 V的电压，开关管频率较大一侧为 15 kHz, 开关管频率较小一侧为 50 Hz, 逆变电路最后输出电压幅值为 220 V、频率为 50 Hz的交流电。

3、最大功率点跟踪技术

由于受到太阳照射强度、天气好坏等外界环境因素的影响，光伏阵列向外部负载输送电能是非线性的，这可以从图4所示的光伏阵列输出特性曲线中看出，其中Im为最大电流，Isc为短路电流，Um为最大电压，Uoc为开路电压，Pm为最大功率，M为最大功率点。通过控制其工作电压，调整电池输出功率，确保光伏电池始终在最大功率下输出能量，以提高光能的转换效率。这就是最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术。

图4 光伏阵列输出特性曲线图

只要满足最大功率匹配条件，直流电源即可输出最大功率。若能时刻保持升压电路的等效电阻和光伏阵列的内部负载相等，则可确保光伏阵列始终输出最大功率。当外部环境如光照强度、温度等发生改变时，太阳能光伏阵列的内阻也会发生改变，这时只要调节升压电路内阻，使其始终和太阳能光伏阵列的内阻相等，即满足最大功率匹配，这样太阳能光伏阵列就能以最大功率输出。

4、系统MPPT建模仿真

一般光伏阵列输出电压有限，需要搭配Boost升压电路，先经过MPPT最大功率跟踪算法计算，得到最大点工作电压并以此作为指令电压；然后将光伏阵列的实际输出电压与输出电压指令进行比较；最后经过比例环节，与高频三角载波进行比较。若大于零，则开通IGBT;小于零，则关断IGBT。在Matlab/Simulink 仿真环境中，搭建基于MPPT算法的仿真模型，进行仿真实验，如图5所示。

图5 MPPT仿真模型图

仿真得到的升压电路输出波形如图6所示，电压经过快速的调节，稳定在800 V,是稳定的直流电能。

图6 升压电路输出电压波形

电池模型如图7所示，从图中可以看出，当光伏电池中的辐照度为1 000 W/m2时候，根据P/U曲线可知光伏电池的最大功率为100 000 W。当辐照度为500 W/m2时候，光伏电池最大功率为50 000 W。

图7 光伏电池特性曲线

仿真辐照度为1 000 W/m2时，对Boost电路仿真，从图8可知，经过快速的调节，光伏电池输出的功率稳定在100 000 W处，实现最大功率输出。

图8 电路功率波形

5、并网逆变建模仿真

光伏板输出电压受温度、光照强度、天气状态等因素影响，具有随机性和间歇性，必须经过MPPT跟踪，输出稳定的直流电压，经逆变器逆变为交流电压，再经过滤波后才能满足谐波标准。采用电流闭环控制，幅值信号由外部电压环得到，相位信号由锁相环获取电网电压相位得到，经过PID控制方法得到所需的调制波，调制波再与载波信号相比较，生成SPWM波控制逆变器完成闭环。单相光伏并网逆变的仿真模型如图9所示。

图9 单相光伏并网逆变的仿真模型图

从图10所示的单相光伏并网逆变系统仿真结果可以看出，该电源能够输出稳定的正弦交流电能。

图10 单相光伏并网逆变的仿真结果

6、结语

本文对太阳能逆变电源的基本理论进行研究，在逆变电源的DC-DC升压部分选用Boost升压电路作为升压拓扑结构，DC-AC 逆变部分选用全桥逆变电路作为逆变拓扑结构，利用MPPT技术，在Matlab/Simu-link的仿真环境中，对太阳能逆变电源系统进行建模仿真，运行结果显示，该系统能够输出稳定的工频交流电能。

参考文献:

[1]赵争鸣,刘建政,孙晓瑛,等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3]张兴.电力电子技术[M].北京:科学出版社,2016.

[4]陈道炼.DC-AC逆变技术及其应用[M].1版.北京:机械工业出版社,2013.

[5]张兴.太阳光伏并网发电及其逆变控制[M].北京:机械工业出版社,2011.

基金资助:安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2020A0487);大学生创新创业训练计划项目基金(S202010878247､JZDX20220297､JZDX20220288､JZDX20220293);

文章来源:程秀芝,吴志航,关付生等.单相光伏并网逆变电源设计研究[J].仪表技术,2023(06):74-76+81.