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摘要：本文主要通过对光伏逆变电源系统拓扑结构的分析，完成对安全模块以及整个电源系统的设计，为光伏能源的应用提供一种设计方案。
关键词：光伏逆变电源；逆变系统；高效；推挽；
全球资源竞争激烈，资源匮乏和环境污染严重，在我国雾霾越来越严重，之前一直利用丰富的煤矿资源进行各种低效产能开发。作为一名有社会责任感的地球人，我们应该开发更节能高效的新能源来补充人类的生存需要，太阳能很明显是最具有研究价值的新能源之一。而在对太阳能进行开发的过程中，光伏逆变系统的技术绝对是一种十分行之有效的办法，光伏逆变系统把太阳能转变为我们可直接利用的电能。本文主要是通过对光伏逆变电源系统的设计，提出一种对太阳能利用的可行方案。
一、光伏发电系统的组成、原理及工作过程
光伏组件是光伏发电系统电能的来源，利用半导体材料的光生伏特效应原理。当太阳光停留在光伏组件上时，组件会吸收足够的能量，从而使电子和空穴分离形成内建PN结电场，并产生新的电子-空穴对，这种电子-空穴对在分离后会呈现正负两种形态的电荷并逐渐向两极靠拢，形成电压也就是我们所谓的光生电压，而一旦将两极的电荷以电流的形式通过负载输出，则完成了光能向电能转换过程，这就是整个光伏发电系统系统电能的来源。
如图1所示，本文光伏发电系统主要是由光伏组件、光伏发电控制器、逆变器，蓄电池这几个部分组成。光伏组件将接收到的光能转化电能，作为整个光伏发电系统的直流输入源，控制器对光伏组件输入的直流进行两路处理：一路进行直流向交流的逆变，变换成可日常使用的交流电，该直流电可直接并网或者直接给交流负载供电；一路把多余的能量传给蓄电池存储起来。当光伏组件能量不足时，蓄电池可以经过控制器、逆变器变换成可日常使用的交流电。用户也可以直接从蓄电池端给直流负载供电。系统把不能直接使用的直流电变换成可日常使用的交流电，同时把多余的能量储存给蓄电池，达到对太阳能的高效的利用。在整个系统中，光伏组件完成光能对电能的转换，控制器完成电能的流向控制，并为整个系统的稳定、可靠的正常运行提供保护作用，逆变器完成交流与直流相互间的转换，蓄电池作为能量存储单元，把多余的电能存储以备用。
二、光伏逆变系统的性能设计
光伏逆变电源是光伏发电系统的核心设备，本文以300W逆变系统为例，整个逆变电源系统如图2所示，系统有两路输入，一路是从光伏组件取电，一路是从蓄电池取电。光伏组件采用36V系统，其开路电压为48.4V，采用BOOST升压拓扑，把输入电压升高至稳定370V，同时完成对光伏组件进行最大功率点跟踪，提高对太阳能的利用率；蓄电池采用12V系统，蓄电池端允许输入电压为10.8V-14.5V,防止蓄电的过度充放电，以保证蓄电池的使用寿命，该端采用半桥推挽拓扑，通过高频隔离变压器把电压升高至稳定的370V，稳定的输出电压主要通过调节PWM信号的占空比完成，推挽电路的PWM驱动波形通过经典的集成芯片KA3525产生。全桥逆变电路把两路输入的370V直流电压变换成220V交流电，全桥逆变电路的驱动采用新型集成的TDS2285芯片，其6.8脚产生是互补的SPWM波，5.7脚产生互补的50Hz方波，经过光电耦合器TLP25隔离给四个全桥逆变管送去驱动，使电路产生220V/50Hz的工频交流电。
三、直流升压推挽模块电路设计
推挽拓扑具有工作效率高，开关管承受电压低的优点，本系统中需要对低的蓄电池直流电压升高为370V的高压直流，为后级的逆变桥提供足够的电压。本系统在原边端利用高频变压器的漏感实现开关管的ZVS的软开关，输出端利用L1与C5产生谐振来实现输出二极管的ZCS软开关，这样进一步提高了模块电路的效率。
该推挽拓扑结构中驱动采用经典芯片KA3525，该芯片产生一对互补并存在一定死区的PWMH和PWML的驱动信号，其中PWMH驱动上管，PWML驱动下管。PWMH、PWML信号并满足MOS功率管对电压幅度及拉、灌电流的驱动要求。而比较反馈电压信号与基准电压就用KA3525中的误差放大器进行，外接阻容RT、CT、RD通过KA3525中的振荡器频率来决定。同时控制PWM占空比利用PWM比较器接人PI调节反馈网络进行，前级电路的工作频率可通过公式fT=1/(0.67RT+1.3RD)CT计算得出为40kHz，引脚8软启动时间为5ms控制端接0.001μf，脚5、7间设定死区时间为80μs连接电阻完成。
根据逆变电源的输出功率要求，综合推挽与逆变的效率，取最差值85%，即输入功率为Pin=Po/η=300/85%= 353W ，则输入最大电流为 IMAX=353W/10.8=33A，考虑选择反耐压值及器件的原则，功率管 Q1、Q2选择 IRF3205( 110A /55V) ，其中C3、C4、R5、R6构成主MOS管的RC吸收电路，副边的整流二极管 D1、D2采用MUR460（4A/600V）快恢复二极管，电路如图3所示。
整个系统的设计中，高频变压器的设计属于比较关键的设计步骤，常用设计方法是AP法即根据公式算出磁芯需求和原副边的匝数需求进而进行绕线操作。其中磁芯算法公式为：AeAb=PoC *108/4•η•Bmax•fk•K，Ae为磁芯截面积，Ab为磁芯的窗口截面积，
fk为开关频率40k Hz，Bmax为磁芯最大磁通密度，η为推挽拓扑的传递效率0.95，K为绕组窗口填充系数0.3，C=5.07*10-3cm2/Amp，Bmax=1600Gs，由此数据和公示计算得出AeAb=1.863cm4。我们选用规格为EE42的铁氧体磁芯，磁芯材质选择PC40。变压器原边绕组匝数Np由公式Np=(Uinmin-1)*108*0.4/ΔB•Ae•fk计算得Np=2。为了防止两MOS管同时导通造成短路，驱动波形要存在死区，本设计把最大占空比限制在45%，变压器副边绕组匝数Ns可以通过公式V=［(Vinmin－1)(Ns/Np－2)*2TON/T］计算得出Ns=76。在绕制时，铜线的电流密度取6A/mm2，考虑到变压器的集肤效应，原边采用线径为0.6mm的漆包线18股并绕，副边绕线采用线径为0.4mm的单股漆包线，绕制时采用原、副边交替的三明治绕制方法，这样可以大大减小的变压器漏电感，以降低MOS峰值电压以及损耗。
四、保护设计
系统在进行运行的时候需要对各个模块进行保护设计,以保证使用过程安全性、可靠性、稳定性，本系统在输逆变入端设有过欠压保护、过流保护；对逆变输出端设有过载限流、短路等保护，整个系统还设有过温保护等功能。本逆变系统规定光伏输入端使用36V的光伏组件，设有60V的过压保护以及12A的过流保护阀值，蓄电池端规定使用12V系统，其正常工作范围为10.8V～14.5V，在蓄电池端设有15V的过压保护以及40A过流保护阀值，逆变输出端的电压220V±10%的工频交流电，输出端是由短路和过载保护，过载保护阀值为360W；同时蓄电池端通过用高频变压器与逆变端输出之间进行安全隔离，保证系统的安全完整性。
1. 本文通过分压电阻对蓄电池和光伏组件电压采样，把采样信号传送芯片TDS2285的Vbat引脚，从而实现过欠压保护；过流、短路、过载保护主要是采用在LM339比较器和LM324运放芯片实现，系统对采样电阻进行合适的差分放大，把放大信号传送传输给比较器LM339的输入负极，同时在比较器输入正极设置一个2.5V的参考电压，当采样的放大信号高于2.5V的参考电压时，比较器输出低电平，将对输出波形短接到地，实现对驱动进行封波处理，使系统停止工作，达到保护系统的作用。
2. 热敏电阻 RT= 10K的热敏特性有助于过温保护模块在运放反向进行温度检测，检测时以40度为界限分为两个时期，40度以下则一切正常，低电平为主要输出内容保证系统的正常运行，而当温度高于40度后热敏电阻RT会使反向输入端电压在其阻值变化后低于同向输入端致使脚 8 输出高电平并诱发三极管启动风扇进行散热功能，系统超过71度后脚14会输出和集成芯片TDS2285一起运作的高电平关断后级驱动完成高温保护。
结束语
文中利用新型集成芯片 TDS2285和芯片 KA3525集合外围辅助电路可以设计一款输出功率为300W 并且85% 以上的电源效率的光伏逆变电源。该电源系统在正常情况下电源可以输出完美正弦波，而万一产生了异常情况，已经内置的各保护模块也能及时响应整个保护机制并切断电源的内置电场。这说明该光伏逆变电源实现了稳定、安全、可靠、效率等生产要求并能在当前光伏系统大力推广的情况下产生积极的社会效应，为国家未来绿色能源的产出提供更为优秀的产品。
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论文作者:谭宁
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：光伏论文; 系统论文; 电压论文; 蓄电池论文; 逆变论文; 组件论文; 电能论文; 《电力设备》2017年第6期论文;