光伏逆變器的設計與安裝維護

　　通常，把將交流電能變換成直流電能的過程稱為整流，把完成整流功能的電路稱為整流電路，把實現(xiàn)整流過程的裝置稱為整流設備或整流器。與之相對應，把將直流電能變換成交流電能的過程稱為逆變，把完成逆變功能的電路稱為逆變電路，把實現(xiàn)逆變過程的裝置稱為逆變設備或逆變器。

　　逆變器又稱電源調(diào)整器，根據(jù)逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的用途可分為獨立型電源用和并網(wǎng)用二種。根據(jù)波形調(diào)制方式又可分為方波逆變器、階梯波逆變器、正弦波逆變器和組合式三相逆變器。對于用于并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變器，根據(jù)有無變壓器又可分為變壓器型逆變器和無變變壓器型逆變器。

　　如上所述，逆變器有多種類型，因此在選擇機種和容量時需特別注意。尤其在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器效率的高低是決定太陽能電池容量和蓄電池容量大小的重要因素。

　　光伏逆變器的設計方案

　　基于光伏并網(wǎng)逆變器的基本原理和控制策略，設計了并網(wǎng)型逆變器的結(jié)構(gòu)，其采用了內(nèi)置高頻變壓器的前后兩級結(jié)構(gòu)，即前級DC/DC高頻升壓，后級DC/AC工頻逆變。該設計模式具有電路簡單、性能穩(wěn)定、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。

　　在能源日益緊張的今天，光伏發(fā)電技術(shù)越來越受到重視。太陽能電池和風力發(fā)電機產(chǎn)生的直流電需要經(jīng)過逆變器逆變并達到規(guī)定要求才能并網(wǎng)，因此逆變器的設計關(guān)乎到光伏系統(tǒng)是否合理、高效、經(jīng)濟的運行。

　　1、光伏逆變器的原理結(jié)構(gòu)

　　光伏并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前級DC/DC變換器和后級DC/AC逆變器構(gòu)成。其基本原理是通過高頻變換技術(shù)將低壓直流電變成高壓直流電，然后通過工頻逆變電路得到220V交流電。這種結(jié)構(gòu)具有電路簡單、逆變電源空載損耗很小、輸出功率大、逆變效率高、穩(wěn)定性好、失真度小等優(yōu)點。

　　逆變器主電路如圖2所示。DC/DC模塊的控制使用SG3525芯片。SG3525是雙端輸出式SPWM脈寬調(diào)制芯片，產(chǎn)生占空比可變的PWM波形用于驅(qū)動晶閘管的門極來控制晶閘管通斷，從而達到控制輸出波形的目的。

　　作為并網(wǎng)逆變器的關(guān)鍵模塊，DC/AC模塊具有更高的控制要求，本設計采用TI公司的TMS320F240作為主控芯片，用于采集電網(wǎng)同步信號、交流輸入電壓信號、調(diào)節(jié)IGBT門極驅(qū)動電路脈沖頻率，通過基于DSP芯片的軟件鎖相環(huán)控制技術(shù)，完成對并網(wǎng)電流的頻率、相位控制，使輸出電壓滿足與電網(wǎng)電壓的同頻、同相關(guān)系。

　　濾波采用二階帶通濾波器，是有源濾波器的一種，用于傳輸有用頻段的信號，抑制或衰減無用頻段的信號。其可以有效地濾除逆變后產(chǎn)生的高頻干擾波形，使逆變后的電壓波形達到并網(wǎng)的要求。

　　2、DC/DC控制模塊

　　SG3525是專用于驅(qū)動N溝道功率MOSFET的PWM控制芯片。SG3525的輸出驅(qū)動為推拉輸出形式，可直接驅(qū)動MOS管；內(nèi)部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM鎖存器，具有過流保護功能，頻率可調(diào)，同時能限制最大占空比。其2個輸出分別接2個MOS管控制其開斷，為了提高對推挽式DC/DC高頻升壓過程有效的控制，提高頻寬調(diào)制的準確性，相應設計了檢測電路，檢測輸出電流、電壓，然后反饋到控制芯片。檢測電路包括偏磁檢測電路、電壓反饋采樣電路、電流反饋采樣電路。SG3525控制模塊結(jié)構(gòu)如圖3.

　　3、DC/AC控制模塊

　　3.1 TMS320F240控制核心

　　TMS320F240是美國TI公司的定點式數(shù)字信號處理器芯片，硬件架構(gòu)以16位為基本數(shù)據(jù)處理單元，它集成了高性能DSP內(nèi)核，并且有著豐富的外設功能，處理速度快。DSP系統(tǒng)的外圍電路包括時鐘電路、復位電路、電源電路等，配合各種信號檢測電路、驅(qū)動電路，以達到對逆變系統(tǒng)的波形控制、脈寬調(diào)制、故障保護等要求，其結(jié)構(gòu)圖如圖4.

　　3.2電壓和電流檢測電路

　?。?）電網(wǎng)電壓過零檢測電路

　　逆變后交流電的電壓必須與電網(wǎng)電壓同相、同頻才能并網(wǎng)，因此要對輸出電壓進行鎖相控制。由于輸出的電壓信號為正弦波，而控制芯片只能識別TTL電平信號，因此需要一個電路將正弦波信號轉(zhuǎn)換為控制芯片可以識別的TTL電平信號。本設計中用LV25P電壓傳感器，將電網(wǎng)電壓采集并轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓等相位的低電壓脈沖信號，經(jīng)過一組比較器電路，可以輸出一組與電網(wǎng)電壓同相的低壓方波信號。當被檢測的電網(wǎng)電壓超過零點，則輸出高電平。電網(wǎng)電壓過零檢測電路如圖5所示。

　　電網(wǎng)電壓過零檢測電路得到的方波信號，經(jīng)過雙施密特反相電路將信號送到DSP芯片的捕獲引腳上，捕獲單元在檢測到上升沿時觸發(fā)中斷，進行鎖相。

　　（2）交流電流檢測電路

　　交流電流檢測電路使用CSM300LT閉環(huán)式電流傳感器，如圖6.CSM300LT是應用霍爾效應閉環(huán)原理的電流傳感器，在電隔離條件下測量交流電流。當交流電通過傳感器時，傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送給信號調(diào)理電路，經(jīng)處理后輸入到DSP芯片的管腳。調(diào)理電路由RC濾波電路和二組集成運放隔離電路組成。

　　4、輔助電源

　　逆變器的控制電路、信號采集電路及開關(guān)管驅(qū)動電路等需要不同的適應電源，因此需要一個獨立的電源為其供電。所設計輔助電源輸出的電壓分別為＋15V、－15V、＋5V三種，采用單端反激式DC/DC拓撲結(jié)構(gòu)，運行穩(wěn)定、可靠，輔助電源電路的基本電路如圖7所示。

　　5、有源濾波

　　有源濾波采用二階帶通濾波器，它是由運算放大器和阻容元件組成的一種選頻網(wǎng)絡，用來濾除逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波，其原理是通過設置電路參數(shù)允許某一個通頻帶范圍內(nèi)的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制，如圖8.

　　光伏發(fā)電作為新能源開發(fā)利用的重要內(nèi)容，對于解決能源和環(huán)境問題，有著深遠的意義。逆變器是光伏發(fā)電過程中的重要環(huán)節(jié)。文中對逆變系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究，設計了以高頻升壓和全橋逆變?yōu)橥負浣Y(jié)構(gòu)的逆變系統(tǒng)，再配合有源濾波，為太陽能的進一步開發(fā)利用起到一定的作用。

　　光伏逆變器的安裝維護

　　1、在安裝前首先應該檢查逆變器是否在運輸過程中有無損壞。

　　2、在選擇安裝場地時，應該保證周圍內(nèi)沒有任何其他電力電子設備的干擾。

　　3、在進行電氣連接之前，務必采用不透光材料將光伏電池板覆蓋或斷開直流側(cè)斷路器。暴露于陽光，光伏陣列將會產(chǎn)生危險電壓。

　　4、所有安裝操作必須且僅由專業(yè)技術(shù)人員完成。

　　5、光伏系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)中所使用線纜必須連接牢固，良好絕緣以及規(guī)格合適。

　　6、所有的電氣安裝必須滿足當?shù)匾约皣译姎鈽藴省?/p>

　　7、僅當?shù)玫疆數(shù)仉娏Σ块T許可后并由專業(yè)技術(shù)人員完成所有電氣連接后才可將逆變器并網(wǎng)。

　　8、在進行任何維修工作前，應首先斷開逆變器與電網(wǎng)的電氣連接，然后斷開直流側(cè)電氣連接。

　　9、等待至少5分鐘直到內(nèi)部元件放電完畢方可進行維修工作。

　　10、任何影響逆變器安全性能的故障必須立即排除方可再次開啟逆變器。

　　11、避免不必要的電路板接觸。

　　12、遵守靜電防護規(guī)范，佩戴防靜電手環(huán)。

　　13、注意并遵守產(chǎn)品上的警告標識。

　　14、操作前初步目視檢查設備有無損壞或其它危險狀態(tài)。

　　15、注意逆變器熱表面。例如功率半導體的散熱器等，在逆變器斷電后一段時間內(nèi)，仍保持較高溫度。

　　光伏逆變器的安裝流程

　　逆變器的總體安裝流程如圖所示，安裝流程說明如表所示：

　　逆變器安裝位置的要求

　　1、勿將逆變器安裝在陽光直射處。否則可能會導致額外的逆變器內(nèi)部溫度，逆變器為保護內(nèi)部元件將降額運行。甚至溫度過高引發(fā)逆變器溫度故障。

　　2、選擇安裝場地應足夠堅固能長時間支撐逆變器的重量。

　　3、所選擇安裝場地環(huán)境溫度為-25°C~50°C，安裝環(huán)境清潔。

　　4、所選擇安裝場地環(huán)境濕度不超過95%，且無凝露

　　5、逆變器前方應留有足夠間隙使得易于觀察數(shù)據(jù)以及維修。

　　6、盡量安裝在遠離居民生活的地方，其運行過程中會產(chǎn)生一些噪聲。

　　7、安裝地方確保不會晃動。