太阳能逆变器开发思路和方案.pdf

内容摘要：摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件——逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详细分析和阐述。

从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。

对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。

摘要：针对光伏并网发电系统中关键部件——逆变器的结构设计与控制方法研究进行了详细分析和阐述。

从电网、光伏阵列以及用户对逆变器的要求出发，分析了各种不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较其运行效率和控制效果。

对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的问题进行了阐述，指出光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。

关键词：光伏并网发电系统；逆变器；拓扑结构；最大功率点跟踪；孤岛效应O 引言由于传统能源的枯竭和人们对环境的重视，电力系统正面临着巨大变革，分布式发电将成为未来电力系统的发展方向。

其中，光伏发电以其独特的优点，被公认为技术含量高、最有发展前途的技术之一。

但是光伏发电系统存在着初期投资大、成本较高等缺点，因而探索高性能、低造价的新型光电转换材料与器件是其主要研究方向之一。

另一方面，进一步减少光伏发电系统自身损耗、提高运行效率，也是降低其发电成本的一个重要途径。

逆变器效率的高低不仅影响其自身损耗，还影响到光电转换器件以及系统其他设备的容量选择与合理配置。

因此，逆变器已成为影响光伏并网发电系统经济可靠运行的关键因素，研究其结构与控制方法对于提高系统发电效率、降低成本具有极其重要的意义[5] 。

本文从电网、光伏阵列以及用户对于并网逆变器的要求出发，分析了不同的逆变器拓扑结构与控制方法，比较了其运行效率和控制效果。

对于目前国内外光伏发电系统中并网逆变器的研究现状、亟待解决的技术问题进行了综合，进一步指出了光伏发电系统中并网逆变器高效可靠运行的发展方向。

光伏发电系统中逆变器方案的设计随着可再生能源的不断发展和应用，光伏发电系统已成为一种重要的清洁能源发电方式。

而光伏发电系统中的逆变器作为转换直流电能为交流电能的关键设备，在系统设计中起着至关重要的作用。

本文将从光伏发电系统逆变器的基本原理、设计要求和技术方案等几个方面展开，探讨光伏发电系统中逆变器方案的设计。

一、光伏发电系统逆变器的基本原理光伏发电系统中的太阳能电池板将太阳能转换成直流电能，而交流电力系统则需求交流电能，因此就须要借助逆变器将光伏发电的直流电能转化为电能输出。

逆变器的作用是通过改变电压、频率和相位，将直流电转换为交流电。

逆变器的工作原理主要包括开关元件的控制和功率电子器件的转换过程。

二、光伏发电系统逆变器的设计要求1.效率高：光伏发电系统逆变器的效率对系统的发电量和经济性影响较大，因此要求逆变器的效率尽可能高。

2.稳定性好：光伏发电系统在日常运行中会受到日照、温度等环境因素的影响，因此逆变器需要具有良好的稳定性，能够适应不同的工作环境。

3.可靠性高：作为光伏发电系统的核心部件之一，逆变器的可靠性对系统的发电效率和稳定性至关重要。

4.通信便捷：逆变器需要实时监测光伏发电系统的工作状态、数据参数等信息，并与其他设备进行通信，以实现对系统的有效监控和管理。

三、光伏发电系统中逆变器的技术方案1. 多级逆变器技术方案：多级逆变器是一种将直流电能分阶段进行逆变的技术方案，能够有效降低开关器件的损耗，提高系统的整体效率。

在光伏发电系统中采用多级逆变器技术方案，可以有效提高系统的功率密度和可靠性，从而实现更好的发电效果。

2. 智能控制技术方案：智能控制技术方案是指通过先进的控制算法和通信技术，实现对逆变器的精准控制和实时监测。

通过智能控制技术，可以对光伏发电系统的运行状态进行精准调节，提高系统的稳定性和效率。

3. 模块化设计技术方案：模块化设计技术方案是指将逆变器设计为多个功能模块组成的结构，可以根据实际需要进行灵活组合和扩展。

光伏逆变器的设计与优化第一章：光伏逆变器的基本原理光伏逆变器是将直流电转化成交流电供电的一种装置。

因为太阳能发电的消费端通常都是交流电，所以需要将产生的直流电转换成交流电。

而逆变器就是这一过程中的核心部件。

通常来说，光伏电池板会输出直流电，而逆变器则会将这些直流电转换成固定频率和所需的电压的交流电波。

第二章：光伏逆变器的种类1.单相光伏逆变器2.三相光伏逆变器3.微光伏逆变器在这三种光伏逆变器中，单相逆变器常用于小型家庭或商业用途，而三相逆变器则适用于大型商业或工业领域，微光伏逆变器则主要用于小型电力系统，如路灯、监控系统等。

第三章：光伏逆变器的设计要素1.拓扑结构设计逆变器的拓扑结构决定了电力转换效率，其中主要包括二极管反激拓扑结构、三极管升压拓扑结构和全桥拓扑结构。

2.控制电路设计控制电路主要包括PWM控制（脉冲宽度调制技术）、MPPT （最大功率点跟踪技术）控制、滤波器等。

3.散热设计光伏逆变器的功率通常高于1千瓦，因此需要高效的散热系统来保证逆变器的稳定运行。

第四章：光伏逆变器的优化1.提高效率提高效率的主要途径包括控制电路的优化、散热设计的改进、材料的选择优化、拓扑结构的改进等。

2.提高可靠性提高可靠性的方法包括设计合理的保护电路、控制电路增加错误检测功能、使用高质量的材料等。

3.提高兼容性提高光伏逆变器的兼容性可以通过设计合理的滤波器和EMI （电磁干扰）抑制电路来实现。

第五章：光伏逆变器的应用领域光伏逆变器已经成为了清洁能源系统中不可缺少的一部分，主要应用于以下几个领域：1.家庭/商业光伏发电系统2.光伏电站3.智能微电网4.光伏沙漠控制中心总结：光伏逆变器作为光伏发电系统的核心部件，设计和优化非常重要，合理的设计和优化可以有效提高光伏逆变器的性能，从而更好地满足适用于不同领域的需求。

太阳能逆变器开发思路和方案1.研究市场需求：在开发太阳能逆变器之前，需要先调研市场需求，了解当前市场上逆变器的种类、技术水平以及用户的需求。

可以通过与行业内的厂商、专业人士以及用户进行交流，了解他们对逆变器的期望和改进意见。

2.技术创新：太阳能逆变器的技术创新是开发的关键。

可以从以下几个方面进行思考和研究：-效率提升：目前太阳能逆变器的转换效率还有很大的提升空间。

可以探索新的拓扑结构、优化功率电路等方法，提高逆变器的转换效率，提高系统的发电效果。

-可靠性提升：太阳能发电系统通常需要在户外环境中长期运行，因此逆变器的可靠性非常重要。

可以从选用高质量的元器件、增加故障检测和保护功能、进行严格的环境适应性测试等方面入手，提高逆变器的可靠性和稳定性。

-集成多种功能：逆变器可以集成多种功能，如数据监测与管理、智能优化控制、电池储能等。

可以研究如何将这些功能与逆变器整合，提高系统的整体性能和用户的使用体验。

3.实验验证：在开发过程中，需要进行实验验证，测试逆变器的各项性能指标是否满足设计要求。

可以建立实验室测试平台，对逆变器进行功率、效率、电压稳定性、响应速度等性能测试。

同时，还可以进行实地测试，验证逆变器在不同的光照条件和环境温度下的稳定性和可靠性。

4.成本考虑：太阳能逆变器的成本也是一个重要的考虑因素。

可以通过优化电路设计、采用更高效的元器件、提高生产工艺等方法来降低成本，并在性能和成本之间找到一个平衡点。

5.市场推广：太阳能逆变器的市场推广非常关键。

可以通过参加行业展览、与分销商合作、进行宣传推广等方式，向用户展示逆变器的优势和性能，争取更多的市场份额。

综上所述，太阳能逆变器的开发需要在技术创新、实验验证、成本考虑和市场推广等方面进行综合考虑。

只有在不断优化和改进的基础上，才能开发出高效、可靠、功能丰富且具有竞争力的太阳能逆变器。

太阳能并网逆变器的方案设计，有完整硬件模块以及算
法
要实现把太阳能电池上的低直流电能能够并网供电，就需要一种逆变
装置，这种逆变装置要求能够把低的直流电变换成与电网电压幅度、频率、相
位均相同的正弦交流电，才能保证可靠的并网供电。

而实现逆变的主要部分就
是逆变控制器。

本方案拟采用单片FPGA来实现太阳能并网逆变控制器的功能，其实现整体框首先数据采集芯片在FPGA的控制下采集的市电电压与逆变器输出电压进行锁相，保证了逆变器输出电压与市电电压保持相位一致，用锁相环
输出的正弦信号作为电压电流双环控制的基准信号。

电压电流控制环在基准信号、滤波电感电流、输出电压的反馈信号的控制下通过PI调节等控制策略产生用于SPWM的调制波，该调制波与三角波通过SPWM产生模块即可产生SPWM波作为全桥逆变开关管的开关控制信号。

芯片中还有用于DC-DC的PWM控制信号，通过采集DC-DC输出电压值来实时调节PWM脉冲宽度，保证DC-DC输出的高直流电压的稳定。

输入
欠压输出过流保护模块保证在光伏电池输出电压过低时、输出过流时及时关断SPWM和PWM信号，保证设备的安全。

1.电压电流双环控制
电压外环电流内环的双环控制方案是高性能逆变电源的发展方向之一，
双环控制方案的电流内环扩大逆变器控制系统的带宽，使得逆变器动态响应加快，非线性负载适应能力加强，输出电压的谐波含量减小。

本设计拟采用以滤
波电感电流为内环被控量的电感电流内环电压外环双闭环控制。

电感电流内环电压外环控制方式的控制原理框
则PI算法的S域的传递函数为：。

太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路 太阳能光伏逆变器拓扑结构及设计思路1 引言对于传统电力电子装置的设计，我们通常是通过每千瓦多少钱来衡量其性价比的。

但是对于光伏逆变器的设计而言，对最大功率的追求仅仅是处于第二位的，欧洲效率的最大化才是最重要的。

因为对于光伏逆变器而言，不仅最大输出功率的增加可以转化为经济效益，欧洲效率的提高同样可以，而且更加明显[1]。

欧洲效率的定义不同于我们通常所说的平均效率或者最高效率。

它充分考虑了太阳光强度的变化，更加准确地描述了光伏逆变器的性能。

欧洲效率是由不同负载情况下的效率按照不同比重累加得到的，其中半载的效率占其最大组成部分(见图1)。

图1 欧洲效率计算比重因此为了提高光伏逆变器的欧洲效率，仅仅降低额定负载时的损耗是不够的，必须同时提高不同负载情况下的效率。

欧洲效率是一个新的参数，主要是针对光伏逆变器提出来的。

由于太阳光在不同时间，强度是不一样的，所以光伏逆变器其实并不会一直工作在额定功率下，更多的是工作在轻负载的时候。

所以衡量光伏逆变器的效率，不能完全以额定功率下的效率来衡量。

所以欧洲人就想出来了一个新的参数–欧洲效率来衡量。

欧洲效率的计算方法如表1。

欧洲效率的改善所带来的经济效益也很容易通过计算得到。

例如以一个额定功率3kw的光伏逆变器为例，根据现在市场上的成本估算，光伏发电每千瓦安装成本大约需要4000欧元[2]，那也就意味着光伏逆变器每提高欧效1%就可以节省120欧元(光伏发电现在的成本大概在每千瓦4000欧元，或者说每瓦4欧元，包括太阳能电池和光伏逆变器，对于一个3kw的发电装置，如果逆变器效率提高了1%，也就是说多发了30w，那么成本就可以节省4×30=120欧元)。

提高光伏逆变器的欧洲效率带来的经济效益是显而易见的，“不惜成本”追求更高的欧效也成为现在光伏逆变器发展的趋势。

2 功率器件的选型在通用逆变器的设计中，综合考虑性价比因素，igbt是最多被使用的器件。

太阳光伏发电系统中逆变器的设计与优化太阳能光伏发电系统的逆变器是一个必要的组件，它将太阳能电池板所产生的直流电变换成交流电，以便于家庭、建筑、工业用电等领域使用。

逆变器在整个太阳能光伏发电系统中扮演着重要的角色，直接影响着系统的性能和效率。

因此，逆变器的设计和优化是太阳光伏发电系统的关键环节。

1. 逆变器的分类逆变器可分为字符串逆变器和微逆变器两种。

字符串逆变器的设计可以直接将太阳能电池板串联到逆变器的输入端，然后逆变器将直流电转换为交流电。

而微逆变器则是将每个太阳能电池板都与逆变器相连，它可以分别控制太阳能电池板的输出，使得整个系统的性能能够得到最优化的升级。

无论是字符串逆变器还是微逆变器，在太阳光伏发电系统中均占有重要的地位。

2. 逆变器设计的关键因素逆变器的设计具有与规模、质量和效率有关的诸多因素。

其中，最为重要的因素是逆变器的功率容量以及其转换效率。

功率容量是指逆变器所能处理的最大功率，也是太阳光伏发电系统的基础，需根据所选用的太阳能电池板数量和输出功率而定。

另一方面，逆变器的转换效率指逆变器将直流电转化为交流电时的能量浪费最小。

因此，在设计逆变器时需要根据所需功率容量和转换效率来确定其技术要求及部件参数。

3. 逆变器优化方案对于逆变器来说，其设计和优化的目标就是在满足系统要求的情况下，使得其转换效率达到最高水平，此时可以采用以下措施来优化逆变器的性能：（1）控制逆变器的温度逆变器在工作时会产生一定的热量，而逆变器的工作温度会对逆变器的性能产生影响。

当逆变器超过其额定的工作温度范围时，其转换效率将会降低，因此需要在设计过程中加入散热措施，以确保其温度能够控制在合理范围内。

（2）提升逆变器的工作频率通常，逆变器设计时应优化其电子元器件，使其支持更高的频率。

这就可以在逆变器的输入端减少输入电平，在输出端产生更高的交流电电平，以保证逆变器能够更有效地转换直流电到交流电。

（3）提高逆变器电流质量逆变器的设计还需要考虑其输出电流的质量。

光伏电源逆变器的设计摘要随着传统的三大化石能源日渐枯竭，绿色能源的开发和利用将会得到空前的发展，太阳能作为世界上最清洁的绿色能源之一，起并网发电备受世界各国普遍关注。

而光伏并网发电系统的核心部件，如何可靠的高质量地向电网输送功率尤为重要，因此在可再生能源并网发电系统中起点能变换作用的逆变器成为了研究的一个热点。

为此本文仍然采用“全桥逆变+LC滤波+工频升压”的逆变电源设计方案。

整个系统设计分为SPWM波形产生电路、H桥驱动及逆变电路、欠压过流保护电路。

在SPWM波形产生环节，本文采用脉宽调制芯片SG3525的为核心。

由文氏桥振荡电路产生50Hz的正弦波基准信号。

然后经过精密整流、放大等处理输入到SG3525的补偿信号端，从而输出SPWM波。

最后进行死区延时，输入到驱动电路中。

在驱动电路设计环节中，本文采用两片IR2110半桥驱-I动芯片构成全桥驱动电路。

输出侧逆变电路中开关管选用耐压值高的MOSFET。

然后经过工频变压器进行升压到市电，供家用电器使用。

对输入、输出进行采样，实时监控是否欠压、过流，进行保护动作。

最后，给出额定功率为500W（输入电压12V输出交流220V）的单相逆变器样机的试验波形。

关键词：光伏电源，逆变器，SPWM，SG3525，IR2110-IIDESIGN OF PV POWER INVERTERABSTRACTIn recent years, photovoltaic technology has broad application. As our country's new energy law enacted, the photovoltaic power system in our country will have a broader space for development. Inverter is an important component in PV system. Its performance has great influence on the application of photovoltaic system. Currently, the domestic pure sine wave output inverter mainly uses 50Hz transformer for raising the output voltage, this paper is still developed an inverter by using the “Full-bridge circuit + LC filter + Isolator transformer” design proposal. The whole system is divided into SPWM waveform generator circuit, H bridge driver circuit and the inverter circuit, low voltage and over-current protection circuit.In SPWM waveform generation part, this paper uses SG3525 PWM chip core. The Wien bridge oscillation circuit generates 50Hz sine reference signal. After this signal precision rectification, amplification and other processing of the compensation signal input to the SG3525-side, so this part output the SPWM wave. Finally, the SPWM signals enter into the driving circuit after dead-time delay.In the design of drive circuit part, using two IR2110 half-bridge driver chips constitute a-IIIfull-bridge driver circuit. The output side of inverter switch circuit selects high voltage value MOSFET. Then through 50Hz transformer, boost to the mains for household appliances. Testing the samples of the input and output voltage, real-time monitoring is under-voltage, over current, protection action.Finally, rated power for 500W (Input voltage 12V, Output communication 220V) single-phase ac inverter prototype test waveforms have been given.KEY WORDS： PV power, Inverter, SPWM, SG3525, IR2110 -IV目录前言 (1)第1章系统设计概述 (3)§1.1 光伏电源逆变器的基本结构和设计要求 (3)§1.1.1 系统的基本结构 (3)§1.1.2 系统的基本设计要求 (3)§1.2 系统电源设计 (4)§1.3 逆变电路 (4)§1.3.1 逆变电路的基本工作原理 (4)§1.3.2 电压型逆变电路 (5)§1.4 SPWM调制技术 (6)§1.4.1 理论基础 (6)§1.4.2 单极SPWM调制方式 (7)§1.4.3 双极性SPWM调制方式 (8)第2章 SPWM调制电路 (9)§2.1 SG3525芯片介绍 (9)§2.1.1 功能结构 (9)-V§2.1.2 SG3525特性 (10)§2.2 单极性SPWM调制电路 (12)§2.2.1 SPWM调制电路结构 (12)§2.2.2 正弦波发生器 (12)§2.2.3 精密整流电路 (14)§2.2.4 误差放大及加法电路 (16)§2.2.5 SPWM调制 (16)§2.2.6 时序控制电路 (18)第3章逆变电路 (21)§ IR2110芯片介绍 (21)§功能结构 (21)§ IR2110特性 (22)§ 驱动电路设计 (24)§ 输出滤波器设计 (25)§ 保护电路设计 (27)第4章系统调试 (30)§4.1 信号板电路的调试 (30)§4.2 信号板与H桥联调 (32)§4.3 保护电路调试 (34)-VI结论 (36)参考文献 (37)附录 (40)-VII前言逆变器（INVERTER）就是一种直流电转化为交流电的装置，一般是把直流电逆变成220V交流电。

高效太阳能逆变器设计当前，太阳能光伏市场(包括光伏模块和逆变器)正以每年约30%的年累积速度增长。

太阳能逆变器的作用是将随太阳能辐射及光照变化的DC电压转换成为电网兼容的AC输出；而对于广阔电子工程师而言，太阳能逆变器是一个值得高度关注的技术领域。

因此下文将介绍太阳能逆变器设计所需注意的技术要点、挑战以及相应的解决方法。

根本设计标准基于太阳能逆变器的专用性以及保持设计的高效率，它需要持续监视太阳能电池板阵列的电压和电流，从而了解太阳能电池板阵列的瞬时输出功率。

它还需要一个电流控制的反应环，用于确保太阳能电池板阵列工作在最大输出功率点，以应付多变的高输入。

目前，太阳能逆变器已有多种拓扑结构，最常见的是用于单相的半桥、全桥和Heric(unway专利)逆变器，以及用于三相的六脉冲桥和中点钳位〔NPC〕逆变器；图1所示是这些逆变器的拓扑图(Microemi图源)。

同时，设计还需遵从平安标准，并在电网发生故障的时候可以快速断开与电网的连接。

因此，太阳能逆变器的根本设计标准包括额定电压、容量、效率、电池能效、输出AC电源质量、最大功率点跟踪〔MPPT〕效能、通信特性和平安性。

图1a：半桥逆变。

图1b：全桥逆变器图1c：Heric逆变器图1d：三相桥逆变器。

图1e：NPC三级逆变器额定电压：太阳能逆变器的主要功能是把来自光伏面板〔有时是经过稳压的DC电压〕的可变DC电压转换为AC电压以驱动负载或给电网供电。

最常用的单相和三相AC电压分别为120V/220V以及208V/380V；而对工业应用来说，480V也很常见。

对选定的逆变器拓扑来说，输出AC电压的范围将决定DC母线电压以及每个半导体开关的额定电压。

容量：它是太阳能逆变器额定功率的另一个说法。

该数值在200W〔面板集成模块〕到数百千瓦之间。

容量越大，逆变器的体积越大、价格越高。

太阳能逆变器的本钱以美元/瓦来衡量。

就一个恰到好处的设计而言，确定容量时，必须把浪涌、过载以及连续工作模式等情况考虑在内。