毕业设计：1kW太阳能光伏独立逆变系统设计研究

1、苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 0 页 共 42 页摘摘 要：要：太阳能作为绿色生态能源，以光伏技术与电力电子技术为依托，结合我国的实际利用它为人类服务，是能源工作者的重要任务之一。市场上，户用光伏电源系统产品正在逐步走向成熟，并以其标准化与兼容性等优点引起了越来越多人的注意，但这些产品仍存在着体积大、重量大、交流噪音大等不足之处。本文围绕光伏发电系统的组件展开，重点研究了如何开发一个高性能、纯正弦波输出的高频独立光伏发电系统逆变器，以实现户用光伏逆变电源系统体积与重量小、效率与性价比高、功率密度大、易于市场化。关键词：关键词：独立式 太阳能 光

2、伏 逆变器苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 1 页 共 42 页AbstractAbstractSolar energy as a green ecological energy, which is based on photovoltaic technology and power electronic technology, combined with Chinas actual use of it for the service of humanity, is one of the important tasks of energy work

3、ers.On the market, household photovoltaic power system products is gradually mature, and with its advantages of standardization and compatibility has attracted the attention of more and more people, but these products still exist in large volume, weight big, noisy communication etc.Addresses the com

4、ponents of photovoltaic power generation system, this paper focuses on how to develop a high performance, pure sine wave inverter output high frequency independent photovoltaic power generation system, in order to realize the household photovoltaic inverter power supply system has small volume and w

5、eight, efficiency and high cost performance, large power density, easy to market.Keywords Detached Solar energy Photovoltaic Inverter苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 2 页 共 42 页目目 录录1 1 引言引言.4 41.1 独立光伏发电系统概述.41.2 太阳能电池方阵.71.3 蓄电池组.81.4 控制器.91.5 逆变器.91.6 本文的主要研究内容.92 2 逆变器概述逆变器概述.11112.1 逆变器特点

6、.112.2 逆变基本工作原理.122.3 逆变器的分类.122.4 PWM 控制原理 .153 3 逆变器设计逆变器设计.18183.1 逆变器控制方案确定.183.2 逆变器系统电路框图.193.3 升压电路原理.193.4 升压电路参数设计.213.5 基于 EG8010 芯片的纯正弦波驱动电路.254 4 系统调试系统调试.29294.1 SG3525 驱动板调试 .294.2 升压电路调试.30苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 3 页 共 42 页4.4 后级逆变电路调试.33结论结论.3535致谢致谢.3636参考文献：参考文献：.37

7、37苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 4 页 共 42 页1 1 引言引言随着传统能源的不断减少，新能源发展迅猛。随着社会经济的发展和人类生活水平的提高，世界范围内对能源的需求日益增长，目前世界能源的利用仍以煤炭、石油、天然气和水与核能等一次能源为主，然而这些有限的能源储量正在日趋枯竭。据世界能源委员会（WEC）预测，按照资源己探明储量和目前的发展速度，石油将在45 年后枯竭，天然气将在 60 年后殆尽，资源量最大的煤炭也只够再开采 220 年。另外，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大

8、量排放 CO2 等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废料的处理直至今日仍然是一个全球性待解决的问题。自 1973 年世界石油危机以来，常规能源频频告急。人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。地球表面每年接受太阳的辐射量达 5.41024J，相当于 1.81014t 标准煤。若将其中的 0.1%按转换率 5%转换为电能，每年发电量

9、可达 5600TWh，相当于目前全世界能耗的 40 倍。因此，太阳能发电，必将成为 21 世纪后期的主导能源。据欧洲 JRC 预测，到未来的 2100 年时，太阳能在整个能源结构中将占 68%的份额。因此，太阳能发电对今后能源发展有着特别重要的意义。太阳能发电因环保清洁等因素备受各国青睐，并且日益广泛地应用于各个领域。为了保证太阳能系统稳定，可靠，我们在设计初期就会综合考虑多种因素，合理化设计系统方案，以达到光伏系统最优化配置。1.1 独立光伏发电系统概述光伏系统是利用太阳电池组件和其他辅助设备将太阳能转换成电能的系统。一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统

10、的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（SmallDC） 、简单直流系统（SimpleDC） 、大型太阳能供电系统（LargeDC） 、交流、直流供电系统（AC/DC） 、并网系统（UtilityGridConnect） 、混合供电系统（Hybrid）;并网混合苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 5 页 共 42 页系统。下面就每种系统的工作原理和特点进行说明。 1）小型太阳能供电系统（SmallDC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简

11、单，操作简便。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。2）简单直流系统（SimpleDC）该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于 PV 水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。下图显示的就是一个简单直流的 PV 水泵系统。这种系

12、统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。3）大型太阳能供电系统（LargeDC）与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。我国在西部一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用的这种形式，中国移动公司和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通讯基站也有采用这种光伏系统供电的。如山西万家寨的通讯基站工程。 4）交流、

13、直流供电系统（AC/DC）与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。5）并网系统（UtilityGridConnect）这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 6 页 共 42 页换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网

14、络，并网系统中 PV 方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用 PV 方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件阵列作为本地交流负载的电源。降低了整个系统的负载缺电率。而且并网 PV 系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏

15、供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。光伏并网发电系统主要由光伏阵列、并网逆变器、控制器和继电保护装置组成。光伏阵列是光伏并网发电系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换为电能。目前工程上应用的光伏阵列一般是由一定数量的晶体硅太阳能电池组件按照系统需要的电压的要求串、并联组成的。 并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成 220V50Hz 的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。控制器一般由单片机或 DSP 芯片作为核心器件，控制光伏阵列的最

16、大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的功率和波形。继电保护装置可以保证光伏并网发电系统和电网的安全性。独立运行太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵，蓄电池组，控制器和逆变器四部分构成。6）混合供电系统（Hybrid）这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用了油机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。比方说，上述的几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量的输出依赖于天气，不稳定。综合使用柴油发电机和光伏阵列的混合供电系统和单一能源的独立系统相比就可以提供不依赖于天气的能源，它的优点是：a）使用混合供电系统的还可以达到可再生能源

17、的更好的利用。因为使用可再生能源的独立系统通常是按照最坏的情况进行设计，因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量是过大的。在太阳辐照最高峰时期产苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 7 页 共 42 页生的多余的能量没法使用而浪费了。整个独立系统的性能就因此而降低。如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。b）具有较高的系统实用性。在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况

18、，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大的降低负载缺电率。 3.和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。c）较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。d）负载匹配更佳的灵活性。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载和系统的发电。只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流

19、和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。简单的太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图 11 所示。 太阳能电池板图11 太阳能电池发电系统示意图1.2 太阳能电池方阵光伏电池是组成太阳能光伏发电系统最基本的单位。但单体光伏电池发出的电能很小，工作电压约 0.45-0.5V，工作电流 20-25mA/cm2，而且是直流电，在大多数控制器直流/交流逆变器交流负载蓄电池组直流负载苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第

20、8 页 共 42 页情况下很难满足实际应用的需要。为满足负载要求的输出功率，一般都将电池组串并成太阳能电池组件。常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在 PN 结中产生一对对正负电荷，由于在 PN 结区域的正负电荷被分离，因而

21、可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应” 。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。目前世界上有 3 种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使

22、用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被 PN 结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为 1315%产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为 1113%产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为 58%。1.3 蓄电池组太阳能发电系统只

23、能在日间有阳光的时候才能发电，而多数情况人们主要在夜间大量用电，所以需要存储太阳能电池方阵发出的电能并随时向负载供电。光伏系苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 9 页 共 42 页统对蓄电池组的要求是：1）自放电率低；2）使用寿命长；3）深放电能力强；4）充电效率高；5）少维护或免维护；6）工作温度范围宽；7）价格低廉。配套 200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸电池。1.4 控制器控制器是光伏发电系统的核心部件之一，主要用于实现整套系统地充、放电管理。太阳能光伏阵列发出的直流电能，经过控制器对蓄电池充电，在蓄电池未充满时，控

24、制器的作用是最大限度地对蓄电池充电，当蓄电池被充满时，控制太阳能充电，使蓄电池处于浮充状态。当蓄电池放电至接近蓄电池过放点电压时，控制器将发出蓄电池电量不足报警并切断蓄电池的放电回路，以保护蓄电池。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器在光伏系统中一般是必不可少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为普通开关控制型（含单路和多路开关控制）和PWM 脉宽调制控制型（含最大功率跟踪控制器） 。开关器件，可以是继电器，也可以是 MOSFET 模块。但 PWM 脉宽调制控制器，只能用 MOSFET 模块作为开关器件。随

25、着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制器、逆变器以及监测系统集成的趋势，如 AES 公司的 SPP 和 SMD 系列的控制器就集成了上述三种功能。1.5 逆变器通常把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆变器。目前我国在小功率逆变器上与国际处于同一水平，在大功率并网逆变器上，合肥阳光电源大功率逆变器 2005 年已经批量向国内、国际供货。该公司250KW、500KW 等大功率产

26、品都取得了国际、国内认证，部分技术指标已经超过国外产品水平，并在国内西部荒漠、世博会、奥运场馆等重点项目上运行，效果良好。1.6 本文的主要研究内容本文在学习光伏独立发电系统逆变器工作原理及前人研究的基础上，研究光伏苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 10 页 共 42 页逆变器的结构与控制，进行了较为深入的理论分析和研究。 第 1 章引言，简要介绍了课题背景光伏独立发电系统及其逆变器，对光伏发电系统有了初步认识。第 2 章对逆变器进行了基本的概述研究了光伏逆变系统的特点、分类和光伏逆变器的工作原理。第 3 章主要阐述了逆变器的设计，升压电路、驱动电

27、路、后级逆变电路的设计，对各种控制策略进行了比较，较好的实现了逆变器的单位功率因数正弦电流输出控制。并且研究设计了其它重要电路保护装置。 第 4 章完成了对逆变器系统的调试。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 11 页 共 42 页2 2 逆变器概述逆变器概述 逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。电力电子技术是电力、电子、自动控制、计算机及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。众所周知，整流器的功能是将 50HZ 的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，被称之为 “逆变”

28、 。太阳能电池在阳光照射下产生直流电，然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如，日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电，绝大多数动力机械也是如此。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需加一个变压器即可，而在直流系统中升降压技术与装置则要复杂得多。因此，除特殊用户外，在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具备有自动调压或手动调压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。综上所述，逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照

29、明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如 12V、24V、48V 等） ，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用交流系统。随着我国光伏发电市场的日趋成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。2.1 逆变器特点逆变器的主要特点包括：1）要求具有较高的效率 由于目前太阳能电池的价格偏高，为了最大限度的利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。 2）要求具有较高的可靠性 目前光伏电站系统主要用于边

30、远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如：输入直流极性接反保护、交流输出短路保护、过热、过载保护等。 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 12 页 共 42 页（3）要求输入电压有较宽的适应范围由于太阳能电池的端电压随负载和日照强度变化而变化。特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如 12V 的蓄电池，其端电压可能在 10V-16V 之间变化，这就要求逆变器在较大的直流输入电压范围内保证正常工作。2.2 逆变基本工作原理逆变电源的拓扑结构很多，各自的工作过程不完全相同，但

31、最基本的逆变过程是相同的。下面以最基本的单相桥式逆变电路为例，具体说明逆变器的“逆变”过程。单相桥式逆变电路如图 3-1 所示，T1，T2，T3，T4 是桥式电路的 4 功率管，由电力电子器件及辅助电路组成。输入直流电压为 Vcc，Z 代表逆变器的负载。当开关T1、T4 接通时，电流流过 T1，Z 和 T4，负载上的电压极性是左正右负；当开关T1、T4 断开，T2、T3 接通时，电流流过 T2，Z 和 T3，负载上的电压极性反向，把直流电变成了交流电。改变两组开关的切换频率就可以改变输出交流电频率，得到的是正负半周对称的交流方波电压。负载为纯阻型时，负载电流电压波形相同，相位也相同；负载为感性

32、时，电流滞后于电压，波形也不同。 图2-1 桥式逆变原理图2.3 逆变器的分类1）光伏逆变器按宏观可分为：a）普通型逆变器b）逆变/控制一体机c）邮电通信专用逆变器d）航天、军队专用逆变器2）按逆变器输出交流电能的频率分： 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 13 页 共 42 页a）工频逆变器 工频逆变器的频率为 5060Hz 的逆变器。 b）中频逆器 中频逆变器的频率一般为 400Hz 到十几 kHz。 c）高频逆变器 高频逆变器的频率一般为十几 kHz 到 MHz。3）按逆变器输出的相数分可分为： a）单相逆变器 b）三相逆变器 c）多相逆变器

33、 4）按照逆变器输出电能的去向分可分为： a）有源逆变器 b）无源逆变器 5）按逆变器主电路的形式分可分为： a）单端式逆变器 b）推挽式逆变器 c）半桥式逆变器 d）全桥式逆变器 6）按逆变器主开关器件的类型分可分为： a）晶闸管逆变器 b）晶体管逆变器 c）场效应逆变器 d）绝缘栅双极晶体管（IGBT）逆变器 7）按直流电源分可分为: a）电压源型逆变器（VSI）b）电流源型逆变器（CSI）8）按逆变器控制方式分可分为： a）调频式（PFM）逆变器 b）调脉宽式（PWM）逆变器 9）按逆变器开关电路工作方式分可分为： 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业

34、设计第 14 页 共 42 页a）谐振式逆变器 b）定频硬开关式逆变器 c）定频软开关式逆变器 10）按逆变器输出电压或电流的波形分可分为： a）方波逆变器 方波逆变器输出的电压波形为方波，此类逆变器所使用的逆变电路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关数量很少。设计功率一般在百瓦至千瓦之间。方波逆变器的优点是：线路简单，维修方便，价格便宜。缺点是：方波电压中含有大量的高次谐波，在带有铁心电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通讯设备有干扰。此外，这类逆变器还有调压范围不够宽，保护功能不够完善，噪声比较大等缺点。 b）阶梯波逆变器 此类逆变器输出的电压波形为

35、阶梯波。逆变器实现阶梯波输出也有多种不同的线路。输出波形的阶梯数目差别很大。阶梯波逆变器的优点是：输出波形比方波有明显改善，高次谐波含量减少，当阶梯达到 17 个以上时输出波形可实现准正弦波，当采用无变压器输出时整机效率很高。缺点是：阶梯波叠加线路使用的功率开关较多，其中还有些线路形式还要求有多组直流电源输入。这给太阳能电池方阵的分组与接线和蓄电池的均衡充电均带来麻烦。此外阶梯波电压对收音机和某些通讯设备仍有一些高频干扰。c）正弦波逆变器 正弦波逆变器输出的电压波形为正弦波。 正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度很低，对收音机及通讯设备 干扰小，噪声低。此外，保护功能齐全，整机效率高。 缺

36、点是：线路相对复杂，对维修技术要求高 ，价格昂贵。 11）按隔离方式光伏逆变器可分为： a）独立光伏系统逆变器 独立逆变器包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源，阴极保护，太阳能路灯等带有蓄电池的独立发电系统。b）并网光伏系统逆变器 并网发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。通过光伏组件苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 15 页 共 42 页将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后转换后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。2.4 PWM 控制原理脉宽调制(PWM)是利用微

37、处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。模拟信号的值可以连续变化，其时间和幅度的分辨率都没有限制。9V 电池就是一种模拟器件，因为它的输出电压并不精确地等于 9V，而是随时间发生变化，并可取任何实数值。与此类似，从电池吸收的电流也不限定在一组可能的取值范围之内。模拟信号与数字信号的区别在于后者的取值通常只能属于预先确定的可能取值集合之内，例如在0V，5V这一集合中取值。模拟电压和电流可直接用来进行控制，如对汽车收音机的音量进行控制。在简单的模拟收音机中，音量旋钮被连接到一个可变电阻。拧动旋钮时，电阻值变大或变小；流经这个电阻

38、的电流也随之增加或减少，从而改变了驱动扬声器的电流值，使音量相应变大或变小。与收音机一样，模拟电路的输出与输入成线性比例。 尽管模拟控制看起来可能直观而简单，但它并不总是非常经济或可行的。其中一点就是，模拟电路容易随时间漂移，因而难以调节。能够解决这个问题的精密模拟电路可能非常庞大、笨重(如老式的家庭立体声设备)和昂贵。模拟电路还有可能严重发热，其功耗相对于工作元件两端电压与电流的乘积成正比。模拟电路还可能对噪声很敏感，任何扰动或噪声都肯定会改变电流值的大小。 逆变电路中的脉宽调制（PWM）控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或

39、所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次斜波谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在采样控制理论中有一个重要的结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量既指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同。是指该环节的输出响应波形基本相同。如把各输出波形用傅里叶变换分析，则它们的低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。例如图 2-2 所示的三个窄脉冲形状不同，其中图 2-2（a）为矩形脉冲，图 2-2（b）为三角形脉冲，图 2-2（c）苏州市职业大学

40、电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 16 页 共 42 页为正弦半波脉冲，但它们的面积（即冲量）相等，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。 （a）矩形脉冲（b）三角形脉冲（c）正弦半波脉冲图 2-2 冲量相等形状不同的窄脉冲上述原理可以称为面积等效原理。它是 PWM 控制技术的重要理论基础。根据上面理论我们就可以用不同宽度的矩形波来代替正弦波，通过对矩形波的控制来模拟输出不同频率的正弦波。例如，把正弦半波波形分成 N 等份，就可把正弦半波看成由 N 个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而

41、是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是 PWM 波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。根据冲量相等效果相同的原理，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。如图 2-3 所示，可以看出，各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原则，PWM 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到 PWM 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规律变化而和

42、正弦波等效的 PWM 波形，也称 SPWM（Sinusoidal PWM）波形。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 17 页 共 42 页在 PWM 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交直交变频器中，整流电路采用不可控的二极管电路即可，PWM 逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM 波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的 PWM 波形。PWM 变

43、频电路具有以下特点：1）可以得到相当接近正弦波的输出电压。2）整流电路采用二极管，可获得接近 1 的功率因数。3）电路结构简单。4）通过对输出脉冲宽度的控制可改变输出电压，加快了变频过程的动态响应现在通用变频器基本都再用 PWM 控制方式。通过以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功耗。此外，许多微控制器和 DSP 已经在芯片上包含了 PWM 控制器，这使数字控制的实现变得更加容易了。随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 技术，其中包括：相电压控制 PWM、脉宽 PWM 法、随机 PWM、SPWM 法、线电压控制 PWM 等，而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽 PWM 法，它是把

44、每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。图 2-3 用 PWM 波代替正弦半波 苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 18 页 共 42 页3 3 逆变器设计逆变器设计3.1 逆变器控制方案确定光伏逆变器的性能很大程度上决定了整个光伏发电系统的性能和效率，随着光伏发电系统的应用越来越广，人们对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稳定以及工作可靠，

45、而且要求其输出电压正弦度高。所以光伏逆变器的控制技术也得到了不断的发展。逆变器要实现输出纯正弦波，控制方案的实现通常分为模拟控制和数字控制，具体实现方案有如下几种。1）模拟控制。控制脉冲的生成，控制算法的实现全部由模拟器件完成。优点是技术非常成熟，有很多可以参考的实例。但其存在很多固有的缺点：控制器的元器件比较多，电路复杂，所占的体积较大；灵活性不够，硬件电路设计好了，控制策略就无法改变；调试不方便，由于所采用器件特性存在差异，致使电源一致性差，且模拟器件工作点的漂移导致系统参数漂移。逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。2）由单片机实现数字控制。为改善系统的控制性能，

46、通过 A/D 转换器，将微处理器与系统相连，在位处理器中实现数字控制算法，然后通过输入、输出口或脉宽调制口（PWM）发出开关控制信号，微处理器还能将采集的功率变换装置工作数据显示或传送至计算机保存。一些控制中所用到的参考值可以存储在微处理器的存储器中，并对电路进行实时监控。微处理器的使用在很大程度上提高了电路系统的性能，但由于微处理器运算速度的限制，在许多情况下，这种微处理器辅助的电路系统仍旧要用到运算放大器等模拟控制元件。3）由 DSP 实现数字控制。信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）技术的发展，逆变电源的全数字化控制成为现实。DSP 能够实时地读取逆变电

47、源的输出，并实时地计算出 PWM 输出值，使得一些先进的控制策略应用于逆变电源控制成为可能，从而可对非线性负载动态变化时产生的谐波进行动态补偿，使输出谐波达到可以接受的水平。但 DSP 入门门槛较高，开发成本高，造价也较高。4）由专用芯片控制。EG8010 是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于 DC-DC-AC 两级功率变换架构或 DC-AC 单级工频变苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 19 页 共 42 页压器升压变换架构，外接 12MHz 晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波 50Hz 或 6

48、0Hz 逆变器专用芯片。该芯片采用 CMOS 工艺，内部集成 SPWM 正弦发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、RS232串行通讯接口和 12832 串行液晶驱动模块等功能。经过以上的比较与选择，本设计选用的是基于 EG8010 的正弦波驱动芯片。此芯片方便设计，能快速的设计出纯正弦交流电的逆变方案。3.2 逆变器系统电路框图逆变器系统电路框图如图 3-1 所示。图 3-1 逆变系统结构框图 由于高频电路体积小，便携性比较强，本人选用的是高频逆变电路，12V 直流电经过 MOS 管推挽产生高频电流由变压器升压成高频电压，经过整流输出高压直流电，高压直流电再经过 EG

49、8010 驱动电路逆变为 220V 纯正弦交流电。3.3 升压电路原理本电路采用的双端推挽电路，是两个单端正激型的合并，其变压器工作在第、象限，提高了磁芯的利用率，其原理框图如图 3-2 所示。 电源输入 输出图 3-2 双端推挽电路原理框图12V 直流电源DC-DC 升压电路 图 3-1 逆变系统结构框图DC-AC 逆变电路SG3525 驱动电路EG8010 驱动电路220V 交流电滤波器脉宽调制器PWM变压器MOS 管驱动电路整流电路苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 20 页 共 42 页 图 3-3 推挽式变换器电路及相关波形双端推挽 DC-

50、DC 变换器的基本电路结构及其工作波形如图 3-4 所示。开关管VT1、VT2 在 PWM 控制器的控制下交替导通，将变压器的初级电压和电流传递到次级，经整流滤波后输出直流电压，调节 VT1、VT2 的导通/截止时间，可改变输出电压。双端推挽 DC-DC 变换器的输出电压可表示为：U0=DUiNs/Np （3-1）式中：U0输出电压（V） ；Ui输入电压（V） ；D整流管的占空比；Np变压器初级匝数（匝） ；Ns变压器次级匝数（匝） 。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 21 页 共 42 页3.4 升压电路参数设计1）主要元器件的选用该 DC-DC

51、 变换器的主要元器件是脉宽调制 PWM 芯片、变压器、开关管和整流管。根据本电路的特点和电源的输出要求，PWM 芯片选用的 SG3525,变压器选用的 EC42磁芯，开关管选用的 IRF3205，整流管选用的 HER508。SG3525 脉宽调制型控制器是美国通用电气公司的产品，作为 SG3524 的改进型，更适合于运用 MOS 管作为开关器件的 DC/DC 变换器，它是采用双级型工艺制作的新型模拟数字混合集成电路，性能优异，所需外围器件较少。它的主要特点是:输出级采用推挽输出，双通道输出，占空比 0-50%可调.每一通道的驱动电流最大值可达200mA,灌拉电流峰值可达 500mA。可直接驱动

52、功率 MOS 管，工作频率高达 400KHz，具有欠压锁定、过压保护和软启动等功能。该电路由基准电压源、震荡器、误差放大器、PWM 比较器与锁存器、分相器、欠压锁定输出驱动级，软启动及关断电路等组成，可正常工作的温度范围是 0-700C。基准电压为 5.1V 士 1%，工作电压范围很宽，为 8V 到 35V。SG3525 驱动电路图如图 3-4 所示：图 3-4 SG3525 驱动电路GROUND(接地端):该芯片上的所有电压都是相对于 GROUND 而言，即是功率地也是信号地。在实验电路中，由于接入误差放大器反向输入端的反馈电压也是相对与12 脚而言，所以主回路和控制回路的接地端应相连。+V

53、IN(芯片电源端):直流电源从 15 脚引入分为两路:一路作为内部逻辑和模拟电路的工作电压；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生 5.1 士 1%V 的内部基准电压。如果该脚电压低于门限电压(Turn-off: 8V)，该芯片内部电路锁定，停止工苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 22 页 共 42 页作基准源及必要电路除外)使之消耗的电流降至很小(约 2mA)。另外，该脚电压最大不能超过 35V.使用中应该用电容直接旁路到 GROUND 端。VC(推挽输出电路电压输入端):作为推挽输出级的电压源，提高输出级输出功率。可以和 15 脚共用一个电源，

54、也可用更高电压的电源。电压范围是 1.8V-3.4V。INPUT(反相输入端):误差放大器的反相输入端，该误差放大器的增益标称值为80db，其大小由反馈或输出负载来决定，输出负载可以是纯电阻，也可以是电阻性元件和电容元件的组合。该误差放大器共模输入电压范围是 1.5V-5.2V。此端通常接到与电源输出电压相连接的电阻分压器上。负反馈控制时，将电源输出电压分压后与基准电压相比较。INPUT（同相输入端):此端通常接到基准电压 16 脚的分压电阻上，取得 2.5V 的基准比较电压与 INPUT 端的取样电压相比较。SYNC(同步端):为外同步用。需要多个芯片同步工作时，每个芯片有各自的震荡频率，可

55、以分别他们的 4 脚和 3 脚相连，这时所有芯片的工作频率以最快的芯片工作频率同步。也可以使单个芯片以外部时钟频率工作。OSC. OUTPUT(同步输出端):同步脉冲输出。作为多个芯片同步工作时使用。但几个芯片的工作频率不能相差太大，同步脉冲频率应比震荡频率低一些。如不需多个芯片同步工作时，3 脚和 4 脚悬空。4 脚输出频率为输出脉冲频率的 2 倍。输出锯齿波电压范围为 0.6V 到 3.5V。Cr(震荡电容端):震荡电容一端接至 5 脚，另一端直接接至地端。其取值范围为0.001,u F 到 0. 1 u F。正常工作时，在 Cr 两端可以得到一个从 0.6V 到 3.5V 变化的锯齿波。

56、Rr(震荡电阻端):震荡电阻一端接至 6 脚，另一端直接接至地端。Rr 的阻值决定了内部恒流值对 Cr 充电。其取值范围为 2K 欧到 150K 欧 Rr 和 Cr 越大充电时间越长，反之则充电时间短。DISCHATGE RD(放电端):Cr 的放电由 5.7 两端的死区电阻决定。把充电和放电回路分开，有利与通过死区电阻来调节死区时间，使死区时间调节范围更宽。其取值范围为 0 欧到 500 欧。放电电阻 RD 和 CT 越大放电时间越长，反之则放电时间短。SOFTSTATR(软启动):比较器的反相端即软启动器控制端 8,端 8 可外接软启动电容?该电容由内部 Vf 的 50uA 恒流源充电。V

57、REF(基准电压端):基准电压端 16 脚的电压由内部控制在 5.1V 土 1%。可以分苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 23 页 共 42 页压后作为误差放大器的参考电压。OUTPUT A, OUTPUT B(脉冲输出端):输出末级采用推挽输出电路，驱动场效应功率管时关断速度更快.11 脚和 14 脚相位相差 1800，拉电流和灌电流峰值达 200mA。由于存在开闭滞后，使输出和吸收间出现重迭导通。在重迭处有一个电流尖脉冲，起 持续时间约为 l00ns。可以在 V VAC *1.414（3-6）一般需要在重载下稳定运行时，需要留有一定的余量，在2

58、20V 交流输出时，建议功率电源电压为330V-450V。高频模式时，交流输出端需接 LC 滤波，将调制波滤除，需在输出端焊接一个2.2uf 的 CBB 电容，和焊接一个3.3mh 的电感。如图3-10电压馈电路：苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 29 页 共 42 页 图3-10 电压反馈电路此电压反馈电路能够自动实现稳压功能，且输出的交流电压可以通过调节电位器 R5调节。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 30 页 共 42 页4 4 系统调试系统调试4.1 SG3525驱动板调试SG3525驱动板调

59、试比较简单，它有电源输入和两个方波输出端，还有一个带光耦隔离的电路过流输入端，此驱动板可以输出16KHZ-60KHZ 可调的方波，加有三极管的放大驱动。因为升压电路采用的是双端推挽电路，所以此驱动板输出的是互为相反的驱动波形。如图4-1 OUT1输出与 OUT2输出波形：图4-1 驱动板输出方波波形从图中可以看出此驱动板输出正常，电压输出是8.6伏特，频率为27.78kHZ，占空比为46.7%，符合设计要求。4.2 升压电路调试以下为升压电路实物图，此模块有两个小模块：1）一个 MOS 管双端推挽电路；2）一个是变压器升压整流电路，如图4-2所示。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职

60、业大学电子信息工程学院毕业设计第 31 页 共 42 页图4-2 升压电路MOS 管两端电压峰峰值为33.6伏，本电路选用的 MOS 管为 irf3205，耐压为50伏，完全可以应用， 。具体 MOS 管 DS 极驱动波形如图4-3所示： 图4-3 MOS 管 DS 极驱动波形从下图4-4中可以看出直流输出456伏直流电压，Vpp=12伏，参数符合设计的要求。苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计苏州市职业大学电子信息工程学院毕业设计第 32 页 共 42 页图4-4 直流输出波形4.3 EG8010驱动板调试如图4-5所示：上半桥输出 pwm 调制波，调制的输出是根据电压反馈来的，EG801