光伏发电逆变电路的设计与研究
2022-02-02孙幸懿马星宇吴启悦冯飞赵恒
孙幸懿 马星宇 吴启悦 冯飞 赵恒
摘要：光伏系统的核心设备是光伏发电逆变电路，它是把光伏组件发出来的直流电通过逆变电路转化为符合电网要求的交流电。本次设计主要是基于C51芯片控制电路，通过Keil5的集成开发坏境进行系统软件设计，并通过MATLAB的仿真进行证明其可行性。为了提高逆变器的转换效率，采取了用逆变电路实现电源DC-AC形式变换。提升逆变器工作效率极其重要。
关键词：光伏发电；逆变电路；MATLAB；C51
0引言
近几年来，光伏发电作为一种重要形式在太阳能利用方面于世界得到了迅速的发展[1]，随着不断的研究，我国新能源光伏发电企业规模不断增多，新能源光伏发电逆变器的需求猛增。因此，高性能逆变器是光伏发电系统技术开发人员重点关注的问题，提高逆变器的转换效率对于日常节能很重要[2]，光伏发电系统中使用的元器件是新能源技术、电力电子、单片机控制等多种技术有机结合的产物。
随着全球能源问题的不断加剧以及电力电子技术的不断发展，大功率光伏逆变器作为经济高效的绿色可再生能源器件得到了广泛应用，普遍使用的 IGBT 。IGCT 等开关器件的容量等级也在不断提高。为了进行可靠的电能转换，其开通与关断必须安全可靠，这是逆变器系统稳定运行的先决条件[3-6]。
伴随着调制的操作，直流母线中的电压会发生范围的变化，导致开关管需要承受更大的电压应力。此外，升压电感电流会由于占空比呈现正弦规律变化，产生较为明显的低频波纹分量，运行过程中会产生电流应力，导致通态消耗尤为严重[7]。而现在，伴随越来越多的分布式电源接入配电网，电能质量成为了一个大问题[8]。为了有效利用分布式电源并满足标准电能质量要求，多功能逆变器受到广泛关注。光伏等分布式能源得到了前所未有的发展[8-9]。
目前我们已知的有3种技术路线来解决效率问题：①采用软开关技术以及多电平电气拓扑；②采用空间矢量脉宽调制等控制方式来降低其损耗；③采用碳化硅材料的元器件，降低器件的内阻。
为解决上述问题，我们采用 keil5以及 MATLAB 对光伏发电逆变电路的仿真，以证明其可行性。
1基本原理和设计思路
1.1基本原理
通过直流滤波电路，把光伏电路产生的直流电去除电磁干扰和电流波动，然后通入逆变电路，直流电通过逆变后转换为交流电，之后通过整流将不规则的交流电整流为正弦波交流电，由输出端的滤波电路滤除逆变过程产生的高频干扰信号，最后供应负载或是并入电网。
1.2逆变器的损耗
逆变器的损耗、影响因素以及采取措施如表1所示。
以 IGBT（绝缘栅双极型晶体管）为代表的功率器件是新能源车芯片价值量最高的。光伏逆变器，新能源车都大量使用 IGBT 。随着光伏装机量的持续增长，以及新能源车渗透率的提升，IGBT 行业持续发展迅速。
1.3设计思路
首先通过定时器使51单片机系统生成 SPWM 调制控制信号，然后通过 IR2110驱动电路来控制逆变电路中 IGBT 器件的开通和关断，将直流电逆变成交流电，最终采用 LC 低通滤波器消除 DC-AC 的变换过程中存在的多次谐波的问题。
单相全桥逆变电路又被称为“H 桥”电路，其构成为四个功率开关关以及驱动辅助电路，在工作过程中，Q2与 Q3通断互补，Q1和 Q4通断互补。H 桥逆变电路的原理图与其输出电压波形如图2所示。
2系统硬件设计
2.1 IR2110电路
在功率變换装置中，根据主电路的结构，起功率开关器件一般采用隔离驱动和直接驱动两种方式。兼有电磁隔离和光耦隔离的优点，在中小功率变换装置中驱动器件是最优选。
IR2110内部功能由输出到输入由3部分组成：输出保护，电平平移及逻辑输入。IR2110有很多特点，比如说可以极大地减少驱动电源的数目，一组电源即可实现对上下端的控制，为装置的设计带来很多方便。
2.2 LC滤波电路的设计
LC 滤波器具有运行可靠性较高、运行费用较低等优点、结构简单，应用很广泛。其直流损耗小，电感的电阻小。对交流电的滤波效果好，感抗大。LC 滤波电路如图4所示。
输出滤波电容的容量为：
输出滤波电感量为：
2.3 PWM控制基本原理
用示波器测试单片机产生的 SPWM 信号以及其波形。
由于对开关器件通断控制的规律不同，单相桥式电路既可采取单极性调制，也可采用双极性调制如表2所示，它们的输出波形也有很大的区别，如图5和图6。
2.5 逆变电路原理图
逆变电路的工作原理是：首先逆变电路是由直流电转换为交
流电的过程，滤波电路滤除不需要的信号。原理图如图 7 所示。
3 系统软件设计
3.1 产生PWM信号流程
定时器原理：这种方法的基本原理是使引脚产生一个低电平，对 T1 或 T0 设置计数初始值并运行，使之经过时间 t1后产生定时中断；在中断服务函数中将引脚设置为高电平，对定时器/计数器设置另一个计数初始值，经过时间 t2后产生中断，在中断服务函数中将引脚设置为低电平，对定时器/计数器设置低电平维持所需的计数初始值，如此循环往复，就产生一个高电平时间为 t2、周期为（t1+t2）的矩形波。
3.2中断程序代码
依据定时器的原理，在 keil5软件中通过 C 语言编写代码，其中部分波形中断和显示波形的代码如下：
#include“reg52.h”
typedef unsigned char uchar;
sbit P1_0=P1^0;
uchar time=0;
uchar period=25;
uchar high=5;
void timer0（）interrupt 1 using 1
{
TR0=0x3c;/*定时器初值重装载*/ TL0=0xb0;
time++;
if（time==high）
{P1_0=0;}
else if（time==period）/*周期时间到，
变高*/
D1
{time=0;
P1_0=1;
}
}
void main（）
{
TMOD=0x01;/*定时器0方式1*/
TR0=0x3c;/*定时器装载初值*/
TL0=0xb0;
EA=1; /*开 CPU 中断*/
ET0=1; /*开定时器0中断*/
TR0=1; /*启动定时器*/
while（1）/*等待中断*/
{}
}
4仿真测试与结果
4.1程序设计以及示波器输出波形展示
用 I/O 口采用软件定时器中断可以模拟 PWM 输出。
我们使用 keil5或者 keil4软件来编程烧入单片机，通过单片机中的定时器来产生晶振，在 P1.0引脚上输出周期为2.5 s，占空比为20%的脉冲信号。如图9所示。图9展示的为程序烧入51单片机开发板后，用示波器测试的 P1.0口的输出波形，可明显看出输出方波的占空比是20％。
4.2 仿真模型的搭建
首先由控制信号推动功率管（不断开关）使高频变压器产生低压的高频交流电。然后通过高频变压器输出高频交流电，再然后经过快速地恢复二极管全桥整流输出一个高频的几百伏特的直流电到后级功率管，最后由后级产生输出电压，MATLAB仿真模型搭建如图 10。
4.3 系统调试使用的仪器设备
我们所使用的设备如表 3 所示。
4.5 输出电流与电压的波形
输出波形如图 11 所示。
4.6 输入输出电压表
输出交流电的频率可以通过改变触发脉冲控制信号来改变，如图表4所示。
5结束语
本课题由单片机、逆变电路、IR2110 驱动电路、LC滤波电路等组成的新能源光伏发电逆变电源基本实现了光能产生的直流向交流的转换。此外，在研究课题的过程中，我们还使用了 MATLAB 中的simulink仿真，将程序烧入单片机，通过示波器测试某一端口的输出波形，另外还有 PROTEUS 仿真，这些工具让我们想法得到及时的试验与调整。在做simulink仿真时我们发现，当输入电压比较小时，逆变后得到的交流电平均幅值达不到我们所设定的 2 倍的关系，而当输入直流电压逐步上升后，输出交流电压幅值趨向于 2 倍的关系。我们还做了一些其他的仿真实验，但是由于制作实物时间，专业水平以及实验环境的影响，我们没有完成完整的实体电路，多电平供电没有应用充分，这些方面内容还有待完善。
参考文献：
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