严世胜，王艺臻

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

一种高效率光伏逆变器的实验研究

严世胜，王艺臻

（海南师范大学 物理与电子工程学院，海南 海口 571158）

以单相正弦波驱动模块EGS002为核心器件，研究一种采用直流324～408V供电的高效率光伏逆变器.介绍了该光伏逆变系统的结构和单极性脉宽调制原理，对模块电路进行了详细的分析.实验测试表明，设计的光伏逆变器输出220V/50Hz交流电，转换效率大于98%，输出正弦波稳定，总谐波失真较小、工作性能可靠，还具有过压、欠压、过流和过热保护等功能.

逆变器；正弦波脉宽调制；光伏；高效率

随着石油、天然气和煤三大传统能源的不断减少，太阳能对缓解日益严重的能源危机有非常重要的意义.在太阳能应用中，光伏发电技术是解决能源危机的重要手段之一，其未来前景独特有无穷的潜力[1].光伏逆变器作为光伏应用系统中的重要组成部分，在光伏发电系统中得到了快速的发展.

在我国，由于光伏逆变器的研究起步较晚，所生产的光伏逆变器在性能稳定性和效率等参数跟国外的光伏企业相比仍有一定的距离.中、大功率的光伏逆变器转换效率能达到95%以上，但小功率的光伏逆变器一般只有85%左右，这种逆变器通常采用DC/ DC高频升压变换电路和H桥DC/AC逆变电路组成[2-3].为了最大限度地利用光伏电池，必须提高光伏逆变器的转换效率.本方案采用多块光伏电池串联，得到一个合适的直流电压，然后进行多组并联后得到合适的功率再输入到光伏逆变器，并在光伏逆变器中使用正弦波脉宽调制（SPWM）技术，其逆变器的转换效率可达到98%以上.

1 系统结构及原理

1.1 系统结构

本文研究的是基于SPWM技术的光伏逆变器，如图1所示.逆变器主要由DC/AC逆变主电路、LC滤波器、SPWM控制电路和DC/DC降压变换器等组成.

图1 光伏逆变器电路原理框图Fig.1 Circuit theory block diagram of photovoltaic inverter

系统中的光伏电池阵列由江苏辉强光伏科技有限公司生产的30块单晶硅电池组件串联构成，组件型号为HQ030M，光伏电池组件和光伏阵列的主要参数见表1.蓄电池选用雷诺士电子有限公司生产的30个12 V/17Ah铅酸密封免维护电池串联组成.由于蓄电池组的过充、过放电压分别设置为408V和324V，所以输入到光伏逆变器的电压范围为324～408V.

表1 光伏电池组件和光伏阵列的主要参数Tab.1 Major parameter of photovoltaic battery pack and photovoltaic array

1.2 SPWM脉宽调制逆变原理

在光伏逆变工程中普遍采用SPWM，它是依据冲量相等效果基本相同的原理，这些脉宽不等而幅度相等的脉冲波与正弦波是等效的.通常SPWM是利用三角波和正弦波的交叉点作为逆变电源的开关控制信号，有单极性调制和双极性调制两种[4-5]，图2为单极性调制波.

图2 单极性脉宽调制原理Fig.2The mechanism of unipolar pulse width modulation

由于图2中SPWM序列为奇函数，负载得到的是单极性正脉冲和负脉冲，其傅里叶级数不含余弦项，即

n为基波和各次谐波总次数，ak为[0，π/2]区间内的N个开关角中的第k个.因此，光伏逆变器输出电压波形的傅里叶级数展开式为[6]

由于正弦波的频率为固定的50 Hz，载波的频率为21.4 kHz，所以输出的SPWM波经过LC滤波后就可以得到光滑的正弦波.

2 功能模块设计

2.1 DC/AC逆变主电路

DC/AC逆变主电路是光伏逆变器重要的组成部分，主要由功率MOSFET管Q2～Q5，栅极电阻R3～R10，康铜丝电阻R11，二极管D1～D4，LC滤波电路L1和C2；光伏逆变器电源开关K1；熔丝管F1等组成，如图3所示.R3～R6用来防止MOSFET管Q2～Q5寄生振荡，D1～D4用来提高MOSFET管的开关速度，R11为电流采样电阻.

该逆变器采用单极性SPWM，右上桥臂Q3和右下桥臂Q5工作在基波频率50Hz，左上桥臂Q2和左下桥臂Q4工作在载波频率约21.4kHz.当电路工作在正半周时，右上桥臂Q3导通，左下桥臂Q4按正弦波规律的脉冲宽度时通时断地工作，Q2和Q5截止.而当电路工作在负半周时，右下桥臂Q5导通，左上桥臂Q2按正弦波规律的脉冲宽度时通时断地工作，Q3和Q4截止.输出正弦波规律的脉冲波经过LC滤波器滤波后，就可得到平滑的正弦波.L1可采用Φ0.8mm的漆包线在磁导率为125的铁硅铝磁环上约绕124匝，C2为聚酯电容器[7-8].

2.2 SPWM控制电路

SPWM控制电路选用屹晶微电子公司生产的EGS002模块，模块的引脚功能如图3中的U1所示.该模块是一款专门用于单相纯正弦波逆变器的控制和驱动，控制芯片采用EG8010，驱动芯片采用IR2110S.模块上集成了过压、欠压、过流、温度保护以及风扇控制等功能，并可通过跳线设置50Hz/60Hz输出[9].

模块U1采用+5 V和+12 V双电源供电，从V 2和V 3输入，功耗约为134.8 mW；第1脚为输出电流反馈输入端，当输入电压大于0.5 V时启动过流保护；第2、4、7和13脚为接地端；第3、6脚分别为右桥臂下管和上管驱动输出端，输出50Hz基波；第8、10脚分别为左桥臂下管和上管驱动输出端，输出21.4 kHz调制波；第5、9脚分别为右桥臂和左桥臂上下功率MOS管中心点输出端；第15脚为输出电压反馈输入端，输出电压经R12、R13、R14和VR1分压后反馈到第15脚，VR1用于改变正弦波输出电压的大小；第16脚为温度反馈输入端，热敏电阻RT1和电阻R1组成一个简单的分压电路，分压值随着温度变化而变化，当分压值大于4.3 V时进入过热保护状态；第17脚为外接散热风扇控制端，当系统温度高于45℃时输出高电平，三极管Q1导通风扇FA1运转，而当风扇运转后温度低于40℃时输出低电平，三极管Q1截止风扇停止.

图3 DC/AC逆变电路Fig.3 DC/AC inverter circuit

2.3 DC/DC降压变换器

DC/DC降压变换器是为SPWM控制电路提供工作电源，由THX202构成反激式非隔离开关电源，其待机功耗小于0.25 W，在直流120～420 V的宽电压范围内提供5 W的连续输出功率，能满足SPWM控制电路供电的要求.主要作用是将母线上的直流电压V1变换为稳定的+5 V和+12 V直流电压，由V2和 V3端输出，如图4所示.

图4中，U2为单片开关电源芯片，具有防过载、过热和输出短路保护等功能；C5为输入电压滤波电容；R15为启动电阻；C8为定时电容，当取值为330 pF时，开关频率为66 kHz；C9为反馈电容，容量选择过大时输出动态特性较差，过小时则峰值输出功率波纹较大，取值一般在0.01～0.047 μF比较合适；C6、R16和D5组成钳位保护电路；D8、DZ1和C16组成稳压电路，为U2提供6.9 V工作电压；D6、D7为肖特基二极管；T1为脉冲变压器，采用EE16磁芯，N1用0.13 mm漆包线密绕191匝，N2、N3用0.3 mm漆包线分别均绕21匝和24匝；U3、U4分别为+12 V和+5 V单端稳压芯片；C10～C15为滤波电容[10].

图4 DC/DC降压变换器Fig.4DC/AC buck converter

3 实验结果

根据上述方案设计了一台300 VA的光伏逆变器样机，在不同负载下实测的数据如表2所示，测量数据时散热风扇未启动.由表2可知，该逆变器的空载功耗为5.54 W，在额定负载下转换效率大于98%.散热风扇一般在半载以上长时间运行时才会启动，对输出效率的影响很小.输出交流电压范围为220 V±5%，频率范围为50Hz±0.5%，总谐波失真THD小于2.32%.图5为负载功率298.82 W时的输出电压波形，从图中可看出正弦波的质量较好，谐波较小.

表2 实验测量数据Tab.2Experimental measuring data

图5 光伏逆变器样机输出波形Fig.5Output waveform of photovoltaic inverter model machine

4 结论

介绍了光伏系统的结构和SPWM脉宽调制逆变原理，详细分析DC/AC逆变主电路、SPWM控制电路和DC/DC降压变换器的电路结构和工作过程.该逆变器无升压电路，直接采用光伏电池串联后得到的直流电压供电.样机测试表明，逆变器输出220 V/ 50Hz交流电，转换效率高，输出正弦波稳定，总谐波失真较小，性能参数符合光伏逆变器要求，可广泛应用于需要交流电的光伏系统中.

[1]汪江其,王群京,李国丽,等.基于SPWM/SVPWM调制策略的逆变器效率研究[J].电气传动,2013,43(1):39-43.

[2]周林,冯玉,郭珂,等.单相光伏并网逆变器建模与控制技术研究[J].太阳能学报,2012,33(5):485-493.

[3]李永鹤,殳国华,张士文.一种基于MC9S08AC16的正弦波逆变器设计[J].电测与仪表,2013,50(1):106-111.

[4]王国峰,王国庆,张洪涛,等.一种新型单相非隔离型光伏并网逆变器研究[J].电力电子技术,2013,47(3):45-47.

[5]陈国璋,卢泉,卢子广.PWM整流器瞬时功率PI控制与电流解耦控制[J].广西大学学报:自然科学版,2011,36(6): 1023-1029.

[6]周志敏,纪爱华.太阳能光伏逆变器设计与工程应用[M].北京:电子工业出版社,2013:15-24.

[7]于宁,苑海涛,卢晓东,等.单极性SPWM全桥电压纹波补偿[J].电气传动,2014,44(5):18-21.

[8]陈东,张军明,钱照明.带LCL滤波器的并网逆变器单电流反馈控制策略[J].中国电机工程学报,2013,33(9):10-16.

[9]董渊,王卓,周泽坤,等.基于TL494的逆变电源系统环路设计纯正弦波逆变器设计[J].微电子学,2013,43(5):649-652.

[10]陈建萍,张文,钟晨东,等.一种基于FAN6754A的PWM反激式开关电源的设计[J].电测与仪表,2011,48(10):84-88.

责任编辑：黄 澜

Experimental Study on High Efficiency Photovoltaic Inverter

YAN Shisheng，WANG Yizhen
（College of Physical and Electrical Engineering，Hainan Normal University，Haikou571158，China）

This paper takes single-phase sine wave drive module EGS002 as a core component to study a high efficiency photovoltaic inverter,which adopts power supply of DC 324-408 V.Structure and unipolar pulse width modulation of the photovoltaic inverter system,and the modular circuit are specified.The experimental test shows that the photovoltaic inverter outputs alternating current of 220 V/50 Hz;its conversion efficiency is greater than 98%;its output sine wave is stable;its to⁃tal harmonic distortion is relatively small and its working performance is reliable.It also has the functions of overvoltage pro⁃tection,undervoltage protection,overcurrent protection and overtemperature protection.

inverter；SPWM；photovoltaic；high efficiency

TM 464

：A

：1674-4942（2015）01-0037-04

2014-12-02