离网型太阳能光伏逆变器仿真与实验研究

张 岳，王京， 马志财，云巧玉

(1.辽宁科技学院 电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004；2.龙源沈阳风力发电有限公司，辽宁 沈阳 110003 )

离网型太阳能光伏逆变器仿真与实验研究

张 岳1，王京2， 马志财1，云巧玉1

(1.辽宁科技学院 电气与信息工程学院，辽宁 本溪 117004；2.龙源沈阳风力发电有限公司，辽宁 沈阳 110003 )

为了满足提高大学生创新实践能力的需求，提出一种离网型太阳能光伏单相逆变器的设计方案，阐述了所设计逆变器电路的工作原理，采用SG3525芯片进行SPWM调制技术，实现220V/50Hz单相交流电输出，并研制一台离网型光伏单相逆变器并对其进行了实验研究，提高了学生综合实践能力。理论分析与实验结果表明：所提出的离网型太阳能光伏单相逆变器的设计方案是可行的。

太阳能光伏发电；离网型逆变器；仿真

太阳能是一种无污染、可再生的绿色清洁能源，目前太阳能光伏发电成为解决世界日趋短缺的能源需求的一种方式而得到广泛研究与应用。本文提出一种小型太阳能光伏单相逆变器的设计方案，基于仿真软件MATLAB设计了全桥型逆变器仿真模型并进行了仿真分析，从理论上阐述了所设计的全桥型逆变器电路的工作原理，采用SG3525芯片进行SPWM调制技术，实现将12V太阳能电池逆变换为220V/50Hz电相交流电输出，并研制一台小型光伏单相逆变器并对其进行了逆变实验，给出了实验波形。从理论分析与实验结果表明：本文提出的小型太阳能光伏单相逆变器的设计方案是可行的。

文章基于国家级大学生创新创业训练计划项目“离散型太阳能光伏逆变器”，它涉及多门课程的理论知识，对提高学生综合运用专业知识的实践动手能力具有一定的现实意义〔1-2〕。

1 太阳能光伏发电的组成

太阳能光伏发电就是利用光伏组件半导体材料的“光伏效应”，将太阳光的辐射直接转换为电能的过程。具有无污染、无噪声、维护方便等优点。太阳能光伏发电的组成一般包括太阳能电池组件、直流/交流逆变器、蓄电池组以及交直流负载等，其结构图如图1所示〔1〕。

太阳能电池板是太阳能光伏发电的主要基础，目前太阳能电池板有单晶硅、多晶硅和非晶硅三种类型，其中，单晶硅的光电转换效率高，使用寿命长，故本文所设计系统选用单晶硅太阳能电池板。其开路电压为12V，短路电流为2.9A。

图1 太阳能光伏发电的构成

2 光伏逆变器功能

本文所设计的逆变器采用DC/DC变换和DC/AC逆变的典型二级变换电路。将太阳能电池板12V输出电压经由DC/DC变换电路高频升压变换为约300V的稳定直流电压，再经DC/AC变换电路逆变为有效值略高于220V的交流电压，经LC工频滤波得到有效值220V、频率为50Hz的交流电压来给负载供电。

PWM控制电路芯片SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的电流型单片集成PWM控制器，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比。由于芯片SG3525的输出驱动电路是采用推挽式电路，是低阻抗的，而MOSFET的输入阻抗很高，所以芯片SG3525的引脚11与14直接推动功率MOSFET IRFP150的栅极，实现DC/AC变换单相输出〔3-7〕。

芯片G3525的引脚8一般接一个软启动电容，由于电容两端的电压不能发生突变，所以上电过程中，保持引脚10为高电平，对输出脉冲进行的封锁，使芯片SG3525不能工作，只有软启动电容充电到使引脚8为高电平时，芯片SG3525才开始工作。

DC/AC变换采用单相全桥逆变电路，输出利用LC滤波电路。全桥逆变电路由4个IRF740构成，驱动信号由SG3525提供。

3 单相逆变器及MATLAB仿真

考虑到日照强度、温度等因素影响，利用参考文献〔8-13〕所述一系列光伏阵列的数学模型，基于MATLAB仿真软件中电气模型库中的相关电气模型构建了太阳能光伏单相发电仿真模型分析其实际运行特性，其仿真模型如图2所示。太阳能光伏单相发电仿真模型的参数设置为：环境温度为24，太阳辐射强度取1000，输出端LC滤波器的参数为：L=7mH，C=2uF，电阻负载输出电压为380V，频率50Hz，仿真时间为0.1秒，图3为PWM仿真波形。

图2 太阳能光伏发电仿真模型图

图3 PWM仿真波

4 实验结果

为了验证上述对单相太阳能光伏逆变器电路设计的正确性，研制一台小型光伏单相逆变器样机，样机及测试平台如图4所示，它由存储示波器、离网型太阳能逆变器、12V太阳能蓄电池组成。图5为太

阳能逆变器输出实验波形，其中12V太阳能蓄电池的直流电压是经过探测笔衰减1倍得到的电压波形，逆变器输出的电压波形是经过探测笔衰减10倍得到的电压波形，从图5输出的电压实验波形中可看出，实验电压波形与相应的仿真结果基本一致，图6为离网型太阳能光伏发电系统实验。

图4 测试平台

图5 电压实验波形

图6 离网型太阳能光伏发电实验系统

5 结束语

1)基于MATLAB/SIMULINK构建了单相太阳能光伏逆变器模型并进行了仿真分析；

2)利用芯片SG3525推挽升压结构直接驱动MOSFET实现逆变，通过实验验证所设计单相太阳能光伏逆变器是可行的。

〔1〕曹莹.家用太阳能光伏发电系统设计〔J〕. 机电工程，2011,(01):116-117.

〔2〕陈志磊，牛晨晖，李臻，等.光伏发电并标准网发展〔J〕.电力电子技术， 2013,47(3)：15-17.

〔3〕茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列MATLAB通用数学仿真模型〔J〕.系统仿真学报，2005,17(5)：1248-1251.

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SimulativeandExperimentalStudyonStand-aloneSolarPhotovoltaicInverter

ZHANG Yue1，WANG Jing2，MA Zhi-cai1，YUN Qiao-yu1

(1.SchoolofElectricalandInformationalEngineering,LiaoningInstituteofScienceandTechnologyBenxiLiaoning, 117004; 2.LongyuanWindPowerCo.Ltg.ShenyangLiaoning,117000)

A design of stand-alone single-phase solar photovoltaic inverter is proposed in order to satisfy the requirement of experiment for students, the principle of inverter circuit is expounded. The SPWM modulation technique is carried out by SG3525 chip and the output of 220v/50Hz single-phase AC electricity is completed. A prototype of stand-alone single-phase micro-solar photovoltaic inverter is developed. The theoretical and experimental results show that the designed stand-alone single-phase photovoltaic inverter is reliable, and the practical ability of students can be improved.

Solar photovoltaic generation; Stand- alone inverter; Simulation

2017-06-13

辽宁省高等教育研究“十三五”规划课题 “提升高校应用型人才创新实践能力培养模式研究”(GHYB160147)；国家级“大学生创新创业训练计划”项目(201611430013).

张岳 (1965-)，男，河北玉田人，辽宁科技学院教授, 博士. 研究方向：特种电机及控制 风力发电.

1008-3723(2017)05-001-03

10.3969/j.issn 1008-3723.2017.05.001

TK51

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