電力電子技術(shù)系列課程電力電子技術(shù)·PowerElectronics第3章太陽能LED路燈的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)踐電力電子技術(shù)目錄2.太陽電池和MPPT控制3.

LED照明5.太陽能LED路燈調(diào)光電路的實(shí)踐調(diào)試1.直流-直流變換電路4.太陽能LED路燈的設(shè)計(jì)與仿真3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路基本直流變換電路及工作波形最基本的直流變換電路由直流電源E、理想開關(guān)S和負(fù)載電阻RL組成，如圖（a）所示。ton期間，開關(guān)S閉合，負(fù)載RL兩端電壓uo=E，電流Io流過負(fù)載RL；toff期間，開關(guān)S斷開，電路中電流Io=0，電壓uo=0；工作波形如圖（b）所示。（a）電路圖

（b）工作波形（D換成k）

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路直流變換電路的控制三種方式

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路降壓變換電路由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻R_L等組成，如圖25所示。開關(guān)管VT可以是全控型器件GTR、電力MOSFET、IGBT中的任一種，這里以GTR為例進(jìn)行介紹，由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。二極管VD的開關(guān)速度應(yīng)和VT同等級，常用快恢復(fù)二極管。降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路降壓變換電路由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻R_L等組成，如圖25所示。開關(guān)管VT可以是全控型器件GTR、電力MOSFET、IGBT中的任一種，這里以GTR為例進(jìn)行介紹，由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)。二極管VD的開關(guān)速度應(yīng)和VT同等級，常用快恢復(fù)二極管。降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路降壓變換電路工作過程t0~t1（ton）期間：t0時(shí)刻，開關(guān)管VT導(dǎo)通，電源E向負(fù)載供電，二極管VD1承受反向電壓截止，如圖2?7（a）所示，圖中虛線表示相關(guān)回路斷開，以后相同不贅述。電感L中有電流流過，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢eL左正右負(fù)，電感儲(chǔ)能；負(fù)載電流io按指數(shù)曲線上升，電壓uo=E；電容C充電。在t1~t2（toff）期間：t1時(shí)刻，開關(guān)管VT關(guān)斷，電感L阻礙電流的變化，感應(yīng)電勢eL左負(fù)右正，二極管VD導(dǎo)通，如圖2?7（b）所示。負(fù)載電流io經(jīng)二極管VD續(xù)流按指數(shù)曲線下降，電壓uo=0。降壓變換電路工作波形

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升壓變換電路升壓變換電路也是由直流電源E、開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C、負(fù)載電阻RL等組成，電路如圖2?8所示。升壓斬波電路與降壓斬波電路的不同點(diǎn)是，開關(guān)管VT與負(fù)載RL呈并聯(lián)形式連接，電感L與負(fù)載RL呈串聯(lián)形式連接。升壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升壓變換電路工作過程

升壓變換電路工作波形

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路

升降壓變換電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路工作波形

升降壓變換電路工作波形3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路升降壓變換電路工作過程

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路

例題解析

3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路Cuk電路

Cuk電路3.1直流-直流變換電路3.1.1基本原理3.1.2降壓變換電路3.1.3升壓變換電路3.1.4升降壓變換電路3.1.5Cuk電路Cuk電路工作過程

（a）VT導(dǎo)通

Cuk電路工作波形3.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類1.太陽電池的工作原理是基于P-N結(jié)的光伏效應(yīng)，即在光照條件下，P-N結(jié)兩端出現(xiàn)光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象，如圖2-17所示。2.太陽電池的等效電路可用P-N結(jié)二極管VD、恒流源、太陽能電池的電極等引起的串聯(lián)電阻和相當(dāng)于P-N結(jié)泄漏電流的并聯(lián)電阻組成的電路來表示，如圖2-18所示。3.將太陽電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后就組成了太陽能光伏組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。如圖2-19所示。圖2-17圖2-18圖2-193.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類太陽電池的特性一般包括太陽電池的輸入輸出特性、分光特性、照度特性以及溫度特性。（1）輸入輸出特性:太陽電池將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的能力稱為太陽電池的輸入輸出特性。當(dāng)光照射在太陽電池上時(shí)，太陽電池的電壓與電流的關(guān)系用U表示電壓、用i表示電流也可稱為I-V曲線或伏安特性，如圖2-20所示。（2）分光特性:對于太陽電池來說，不同的光照所產(chǎn)生的電量是不同的。一般用分光感度（Spectral

Sensitivity）特性來表示光的顏色（波長）與所轉(zhuǎn)換電能的關(guān)系，如圖2-21所示。圖2-20圖2-213.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類（3）照度特性:太陽電池的功率隨照度（光的強(qiáng)度）的變化而變化，稱為照度特性。熒光燈照度時(shí)，單晶硅太陽電池以及非晶硅太陽電池的伏安特性如圖2-22所示。（4）溫度特性:太陽電池的功率隨溫度變化而變化稱為溫度特性，如圖2-23所示。圖2-22圖2-233.2.1太陽電池結(jié)構(gòu)與工作原理太陽電池的特性太陽電池分類太陽電池根據(jù)材質(zhì)分類如下圖所示單晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:15%-24%

特點(diǎn):光電轉(zhuǎn)換效率高、

制作成本大使用壽命一般可達(dá)15年，最高可達(dá)25年。多晶硅太陽電池

光電轉(zhuǎn)換效率:約12%特點(diǎn):制作工藝與單晶硅相似生產(chǎn)成本較低使用壽命比單晶硅太陽能電池短。非晶硅太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:10%

特點(diǎn):制作工藝比較簡單硅材料消耗少,電耗低在弱光條件下也能發(fā)電。多元化合物太陽電池光電轉(zhuǎn)換效率:18%特點(diǎn):光譜響應(yīng)廣泛調(diào)控能帶結(jié)構(gòu)耐輻照性能強(qiáng)制備成本較高3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制定義：最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking，簡稱MPPT）技術(shù)是光伏發(fā)電中的通用綜合性技術(shù)，以求高效應(yīng)用太陽能，涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術(shù)、電力電子變換技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)等。太陽電池的伏安特性曲線具有非線性的特性，在太陽電池輸出端接上不同的負(fù)載，其輸出電流不同，輸出的功率也會(huì)發(fā)生變化。將太陽電池伏安特性曲線上每一點(diǎn)的電流與電壓相乘，可以得到太陽電池功率-電壓特性曲線，如圖2-24所示圖

2-24太陽電池功率-電壓特性曲線3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動(dòng)勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時(shí)電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖根據(jù)全歐姆定律，設(shè)回路電流為電阻R上得到的電壓降稱為端電壓，則電源的輸出功率電源輸出的總功率電源的效率3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動(dòng)勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時(shí)電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖對于一個(gè)確定的電源，電動(dòng)勢及內(nèi)電阻是一定的。當(dāng)R=r時(shí)，電源的輸出功率此時(shí)，電源的輸出功率最大。電源的輸出總功率為電源的效率3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制例題：設(shè)電動(dòng)勢為、內(nèi)電阻為的電源，給總電阻為R的外電路供電，如圖2-25所示。外電路的電阻R為何值時(shí)電源的輸出功率最大？電源的效率最高?圖

2-25全歐姆定律電路圖因此不能斷言，電源輸出功率最大的時(shí)候就是電源效率最高的時(shí)候。當(dāng)E、r確定以后，影響電源效率的主要因素就是外電路的電阻R。當(dāng)R>>r時(shí)這就說明，外電阻與內(nèi)電阻的比值越大，電源的效率就越高。3.2.2MPPT控制電源輸出功率與輸出效率MPPT控制MPPT控制的定義：最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）是指實(shí)時(shí)測試太陽電池的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓值，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電；MPPT控制系統(tǒng)的DC/DC變換的主電路采用Boost升壓電路。Boost變換器主電路如圖2-26所示，由開關(guān)管VT、二極管VD、電感L、電容C等組成。圖

2-26MPPT控制系統(tǒng)的DC/DC變換主電路3.3LED照明LED驅(qū)動(dòng)電路圖2-27LED伏安特性曲線圖2-28LED光特性曲線LED是一種固體光源，在電氣特性上與普通二極管基本相似；發(fā)光原理是在PN結(jié)處有發(fā)光層，當(dāng)有電流流入時(shí)，電子和空穴結(jié)合釋放出光輻射。LED伏安特性曲線類似指數(shù)形式，如圖2-27所示。定義當(dāng)正向電壓超過閾值后，其微小波動(dòng)就會(huì)引起正向電流的急劇波動(dòng)。LED的光特性曲線被描述為電流的函數(shù)，如圖2-28所示。正向電流越大，LED的光通量越大，但卻不完全成正比。正向電流過弱會(huì)影響LED的發(fā)光強(qiáng)度，電流過強(qiáng)會(huì)影響LED的可靠性和壽命。3.3LED照明LED驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)電路定義：LED驅(qū)動(dòng)電路輸出參數(shù)（電流、電壓等）應(yīng)與被驅(qū)動(dòng)的LED的技術(shù)參數(shù)相適應(yīng)，并具有恒流控制和限制電壓功能。在短路、斷路等故障狀態(tài)時(shí)，可以對驅(qū)動(dòng)電路、LED有保護(hù)作用；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路工作時(shí)不會(huì)干擾其他元件的正常工作。（1）電阻限流驅(qū)動(dòng)。（2）線性控制驅(qū)動(dòng)。（3）開關(guān)恒流源驅(qū)動(dòng)。種類3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)定義：光伏控制器是太陽能LED路燈系統(tǒng)中的核心部件之一。1.光伏控制器的基本原理如圖2-32所示，開關(guān)1和開關(guān)2分別為充電控制開關(guān)和放電控制開關(guān)。開關(guān)1閉合時(shí)，由光伏組件通過控制器給蓄電池充電；當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過充電時(shí)，開關(guān)1能及時(shí)切斷充電回路，使光伏組件停止向蓄電池供電；開關(guān)1還能按預(yù)先設(shè)定的保護(hù)模式自動(dòng)恢復(fù)對蓄電池的充電。2.當(dāng)蓄電池出現(xiàn)過放電時(shí)，開關(guān)2能及時(shí)切斷放電回路，蓄電池停止向負(fù)載供電，當(dāng)蓄電池再次充電并達(dá)到預(yù)先設(shè)定的恢復(fù)充電點(diǎn)時(shí)，開關(guān)2又能自動(dòng)恢復(fù)供電。開關(guān)1和開關(guān)2可以由各種開關(guān)元件構(gòu)成，常見開關(guān)元件為固態(tài)繼電器等功率開關(guān)器件和普通的繼電器。圖2-32光伏控制器原理圖3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)（1）并聯(lián)型控制器（2）串聯(lián)型控制器分類：光伏控制器基本上可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型和最大功率跟蹤型等?；诓⒙?lián)型控制器的系統(tǒng)組成基于串聯(lián)型控制器的系統(tǒng)組成3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)串、并聯(lián)控制器的檢測控制電路實(shí)際上就是蓄電池過、欠電壓的檢測控制電路，主要是對蓄電池的電壓隨時(shí)進(jìn)行取樣檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果向過充電、過放電開關(guān)器件發(fā)出接通或關(guān)斷的控制信號(hào)。檢測控制電路原理如下圖所示。串、并聯(lián)控制器的檢測控制電路原理檢測控制電路原理3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)（3）脈寬調(diào)制型控制器（4）最大功率跟蹤型控制器最大功率跟蹤型控制器將太陽能的電池電壓U和電流I檢測后相乘得到功率P，然后進(jìn)行尋優(yōu)，通過這樣尋優(yōu)過程可保證太陽能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽能電池方陣的輸出能量。同時(shí)采用PWM調(diào)制方式使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化提高充電效率。分類：光伏控制器基本上可分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型和最大功率跟蹤型等。脈寬調(diào)制型（PWM）控制器電路原理3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)基于BQ24650的光伏控制器系統(tǒng)組成如圖2-37所示，太陽電池板輸出的直流電壓經(jīng)過輸入濾波進(jìn)入降壓轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)過電流檢測及輸出濾波后，得到滿足負(fù)載需求的直流輸出電壓給蓄電池充電，完成能量的傳遞。輸入電壓，輸出電壓?？刂破鞯暮诵钠骷荁Q24650，具體資料查閱器件手冊?？刂破鞯碾娐吩砣鐖D所示。太陽電池作為控制器的輸入，通過BQ24650對開關(guān)器件VT1和VT2進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)降壓變換其輸出經(jīng)過濾波后，對蓄電池進(jìn)行充電。圖中R5、C1和R6構(gòu)成了輸入側(cè)的濾波電路，VD2和C5成了VT1的自舉電路；開關(guān)器件VT1和VT2及L構(gòu)成了典型的降壓變換電路。方案設(shè)計(jì)光伏控制器的系統(tǒng)組成基于BQ24650的光伏控制器電路3.4.1光伏控制器工作原理分類方案設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)基于BQ24650的光伏控制器電路恒電壓法是最簡單的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，BQ24650即是采取該方法實(shí)現(xiàn)太陽電池板最大功率輸出。圖中，R3、R4構(gòu)成了BQ24650的輸入電壓反饋電路，當(dāng)BQ24650的MPPSET引腳檢測到輸入電壓下降時(shí)（即太陽電池板的輸出電壓下降時(shí)），BQ24650自動(dòng)降低充電電流，使太陽電池板輸出電壓上升，通過這種方法使太陽電池板輸出電壓維持在最大功率點(diǎn)處的電壓，以獲得最大功率。如果MPPSET引腳電壓強(qiáng)制低于時(shí)，BQ24650保持在輸入電壓調(diào)節(jié)環(huán)路的同時(shí)輸出電流為零。此時(shí)STAT1引腳為低電平（LOW）并且STAT2引腳為高電（HIGH），即顯示充電進(jìn)行時(shí)，但實(shí)際上充電電流為零，并無充電效果。此外，MPPSET引腳還具有充電使能功能當(dāng)其電壓低于時(shí)充電將會(huì)終止；當(dāng)其電壓恢復(fù)到以上時(shí)，充電才會(huì)恢復(fù)。3.4.2LED驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)電路路燈的功率與照明面積、照明要求等因素有關(guān)，一般在10-200W之間。充分發(fā)揮LED節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，根據(jù)LED的連接方式和應(yīng)用環(huán)境，一般選擇開關(guān)恒流源驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，總體方案如圖所示。輸入電壓范圍為AC90-265V；輸入電路包括EMI濾波器、整流濾波電路等，經(jīng)過整流后通過APFC電路實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正；DC/DC轉(zhuǎn)換器完成隔離和降壓的功能；最后為多路輸出級，輸出多路恒定的工作電流，通過PWM對LED路燈進(jìn)行調(diào)光控制。LED路燈驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（諧振電路換成DC/DC轉(zhuǎn)換器）DC/DC轉(zhuǎn)換器選用芯龍半導(dǎo)體公司的XL6001芯片構(gòu)成。XL6001是專為LED升壓恒流驅(qū)動(dòng)的開關(guān)控制器，它具有寬輸入電壓3.6-36V，2A的輸出電流能力，具有完備的保護(hù)功能，內(nèi)置軟啟動(dòng)功能，電路效率可達(dá)92%。3.4.2LED驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)電路以XL6001為核心的LED驅(qū)動(dòng)電路如圖所示。圖中為升壓電感。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的輸入電壓是12V，通過電感式升壓輸出25V、電流恒流為350mA。XL6003的典型應(yīng)用電路3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析太陽能供電LED照明控制系統(tǒng)主要由太陽電池、光伏控制器和LED驅(qū)動(dòng)控制器、照明負(fù)載(LED)四部分組成系統(tǒng)組成原理圖如圖2-41所示。太陽能供電LED照明控制系統(tǒng)（1）打開PSIM軟件，新建一個(gè)仿真電路原理圖設(shè)計(jì)文件。（2）根據(jù)圖所示的電路拓?fù)鋱D，從PSIM元件庫中選取LED驅(qū)動(dòng)電路和PWM調(diào)光電路所需的太陽能板、電感、電容、二極管、MOSFET管、NE555芯片以及負(fù)載電阻等元件放置于電路設(shè)計(jì)圖中。觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)器在PSIM軟件中可采用門控模塊、控制器、方波電源等多種方案，本仿真案例中選取門控模塊作為觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行講解。放置元件的同時(shí)調(diào)整元件的位置及方向，以便后續(xù)原理圖的連接。搭建仿真模型3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析（3）利用PSIM中的畫線工具，按照對應(yīng)的拓?fù)鋱D將電路連接起來，組建成仿真電路模型。畫線時(shí)可適當(dāng)調(diào)整元件位置及方向，令所搭建的模型更加美觀。（4）放置測量探頭，測量需要觀察的電壓、電流等參數(shù)。本仿真案例中放置的電壓與電流探頭可用來測量太陽能板輸出電壓和電流、升壓后的電壓和電流以及負(fù)載電流等多個(gè)參數(shù)。搭建完成的電路模型如圖所示。搭建仿真模型太陽能LED路燈調(diào)光電路仿真模型3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析電路元件參數(shù)設(shè)置本仿真案例中將太陽能板的環(huán)境溫度設(shè)置為，光強(qiáng)輸入設(shè)置為。LED驅(qū)動(dòng)電路的電感設(shè)置為；太陽能板輸出側(cè)電容設(shè)置為；負(fù)載側(cè)電容設(shè)置為；觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)器的頻率設(shè)置為；負(fù)載電阻設(shè)置為，其它未提及參數(shù)均采用默認(rèn)設(shè)置。PWM調(diào)光電路的參數(shù)設(shè)置以及整個(gè)電路的電壓探頭與電流探頭的命名如圖所示。電路仿真完成仿真模型的搭建后，放置仿真控制元件，并設(shè)置仿真控制參數(shù)。在此仿真案例中仿真步長設(shè)置為，仿真總時(shí)間設(shè)置為，其它參數(shù)保持默認(rèn)配置。參數(shù)設(shè)置完成后即可運(yùn)行仿真。太陽能LED路燈調(diào)光電路仿真模型3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析仿真結(jié)果分析在仿真結(jié)束后，PSIM自動(dòng)啟動(dòng)Simview波形顯示窗口。將電路模型中所需要測量的、和分別添加到波形觀察窗口，觀察仿真結(jié)果波形，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。將仿真結(jié)果從LED驅(qū)動(dòng)電路和PWM調(diào)光電路兩個(gè)層面進(jìn)行分析。（1）LED驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)電路是以太陽能板轉(zhuǎn)化后的電壓作為輸入進(jìn)行設(shè)計(jì)的，輸入輸出電壓波形及數(shù)據(jù)如圖所示，由仿真數(shù)據(jù)可以得到電路的太陽能板所給出的輸入電壓為，經(jīng)BOOST電路升壓后的輸出電壓為，與設(shè)計(jì)要求基本吻合，驗(yàn)證仿真模型設(shè)計(jì)合理。仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析（2）PWM調(diào)光電路以LED驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓為輸入電源，所搭建的PWM調(diào)光電路可以通過調(diào)節(jié)變阻器的阻值進(jìn)行電路占空比的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)占空比為0.2時(shí)的仿真波形及數(shù)據(jù)如圖所示。占空比為0.2時(shí)的仿真波形及數(shù)據(jù)3.4.3仿真驗(yàn)證搭建仿真模型電路元件參數(shù)設(shè)置電路仿真仿真結(jié)果分析占空比負(fù)載電壓平均值負(fù)載電流平均值0.24.9V0.049A0.49.9V0.099A0.615.3V0.153A0.819.5V0.195A不同占空比下的負(fù)載電壓和負(fù)載電流通過表可以直觀的看出隨著占空比的增大，負(fù)載電壓和負(fù)載電流的平均值也不斷增大，證明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)電路的占空比完成對負(fù)載燈泡的亮度調(diào)節(jié)，驗(yàn)證仿真模型設(shè)計(jì)合理。3.5太陽能LED路燈調(diào)光電路的實(shí)踐調(diào)試3.5.1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)實(shí)踐調(diào)試要求學(xué)生在消化電路的基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程應(yīng)用操作，以鍛煉識(shí)圖和基本操作能力，加深對電路的理解和掌握。實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（1）掌握PWM調(diào)光電路的基本原理和組成結(jié)構(gòu)；（2）掌握NE555集成芯片的特性和工作原理；（3）能夠熟練進(jìn)行太陽能LED路燈調(diào)光電路的調(diào)試和維護(hù)。3.5.2器材清單器材清單元件名稱在電路圖中的代號(hào)參考型號(hào)數(shù)量主芯片ICU1

NE5551二極管D1

1N40071三極管Q1、Q2

S80502電解電容C8

10μF/25V1

C947μF/25V1瓷片電容C1、C7

1032

C2~C64734C3

10411/4W色環(huán)電阻

R1、R81K2

R2~R410K3

R6、R7100K2

R51M1微調(diào)電阻

RP2、RP320K1

RP150K1PWM調(diào)光電路元器件清單3.5.3實(shí)驗(yàn)裝配與調(diào)試PWM調(diào)光電路裝配PWM調(diào)光電路調(diào)試裝配前對照元器件清單核對元件是否齊全，對電阻、電容、二極管、晶體管等元件要用萬用表逐一檢測其好壞。晶體管用螺釘固定在足夠面積的散熱器上，在固定的同時(shí)要用導(dǎo)熱絕緣的墊片墊在管子和散熱器之間，并且保證與散熱片絕緣良好。檢查完畢之后將元器件逐一焊接到電路板上，PWM調(diào)光電路焊接完成后的線路板如圖所示。對焊接完成后的線路板進(jìn)行上電測試，在電源輸入側(cè)接入直流電源。在輸出側(cè)接入LED燈，通過調(diào)節(jié)電位器控制電路的占空比，觀察LED燈的亮度確定電路是否能夠完成對LED燈的調(diào)光。PWM調(diào)光電路裝配PWM調(diào)光電路調(diào)試PWM調(diào)光電路線路板電力電子技術(shù)系列課程電力電子綠色同行2024/6/29電力電子技術(shù)系列課程電力電子技術(shù)·PowerElectronics第4章

光伏逆變器的設(shè)計(jì)、仿真與實(shí)踐電力電子技術(shù)目錄2.三相電壓源型逆變電路3.脈寬調(diào)制型逆變電路5.逆變器的設(shè)計(jì)與仿真1.智能功率模塊4.光伏發(fā)電系統(tǒng)6.逆變器的實(shí)踐調(diào)試4.1智能功率模塊結(jié)構(gòu)組成自保護(hù)功能智能功率模塊（IntelligentPowerModule，IPM）是一種將電力電子和集成電路技術(shù)結(jié)合的功率驅(qū)動(dòng)類產(chǎn)品；采用標(biāo)準(zhǔn)化的接口，方便與控制電路板相連接；在故障情況下的有自保護(hù)能力，降低了使用中損壞的機(jī)會(huì)，提高了整機(jī)的可靠性。定義智能功率模塊IPM一般使用IGBT作為功率開關(guān)元件，內(nèi)含電流傳感器及驅(qū)動(dòng)電路的集成結(jié)構(gòu)。小功率器件采用多層環(huán)氧樹脂粘合絕緣系統(tǒng)，封裝費(fèi)用特別低，適合低成本和尺寸要求的消費(fèi)類和工業(yè)產(chǎn)品上；中、大功率器件采用陶瓷絕緣，保證所需的散熱特性和更大的載流容量。根據(jù)集成功率半導(dǎo)體器件IGBT的數(shù)量，通常IPM有四種電路形式，單管封裝（H型）、雙管封裝（D型）、六合一封裝（C型）、七合一封裝（R型），如圖所示。單管封裝的IPM模塊結(jié)構(gòu)只有一個(gè)功率管，適用于單相輸出。雙管封裝的IPM一般是兩只功率管串聯(lián)，適用于單相半橋電路。六管的IPM模塊，六個(gè)管子構(gòu)成三組橋臂，適用于三相全橋電路。七管IPM與六管基本一致，差別在于多了一個(gè)管子，該管常作為泄放管。IPM的封裝結(jié)構(gòu)組成4.1智能功率模塊結(jié)構(gòu)組成自保護(hù)功能智能功率模塊由功率器件、驅(qū)動(dòng)控制電路和檢測保護(hù)電路等組成，如圖所示。電流檢測、電壓檢測以及溫度檢測器件與驅(qū)動(dòng)電路連接，將檢測信號(hào)傳送給控制電路。驅(qū)動(dòng)電路包含驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路以及芯片的供電電源電路，并設(shè)有端口與CPU連接。IPM中的每個(gè)功率器件都設(shè)有各自獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路和多種保護(hù)電路。一旦發(fā)生負(fù)載事故或者使用不當(dāng)?shù)犬惓Ｇ闆r，模塊內(nèi)部立即以最快的速度進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)將保護(hù)信號(hào)送給外部CPU進(jìn)行第二次保護(hù)。這種多重保護(hù)可以使IPM本身不受損壞，提高器件的可靠性，解決了長期困擾人們的器件損壞難題；而且IPM的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)換效率都優(yōu)于IGBT模塊。當(dāng)IPM模塊中有一種保護(hù)電路動(dòng)作時(shí)IGBT柵極驅(qū)動(dòng)單元就會(huì)關(guān)斷并輸出一個(gè)故障信號(hào)(FO)。各種保護(hù)功能介紹如表所示。自保護(hù)功能IPM內(nèi)部保護(hù)功能框圖4.1智能功率模塊結(jié)構(gòu)組成自保護(hù)功能序號(hào)電路名稱電路功能1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)定了最佳的IGBT驅(qū)動(dòng)條件，驅(qū)動(dòng)電路與IGBT間的距離很短，輸出阻抗很低，因此，不需要加反向偏壓2過電流保護(hù)、短路保護(hù)通過檢測各IGBT集電極電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)的，故能實(shí)時(shí)地監(jiān)測IGBT工作狀態(tài)，進(jìn)行有效地保護(hù)3驅(qū)動(dòng)電源欠電壓保護(hù)（UV）每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路都具有UV保護(hù)功能，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源電壓小于規(guī)定值UV時(shí)，產(chǎn)生欠電壓保護(hù)4過熱保護(hù)（OT）靠近IGBT芯片的絕緣基板上裝有溫度傳感器，IPM的超溫保護(hù)單元實(shí)時(shí)監(jiān)測IPM基板溫度，基板溫度超過熱斷開閥值（OT）時(shí)，IPM內(nèi)的溫度保護(hù)電路就會(huì)終止柵極驅(qū)動(dòng)，對模塊實(shí)行軟關(guān)斷輸出故障信號(hào)5誤動(dòng)作（FO）報(bào)警輸出當(dāng)各種故障動(dòng)作持續(xù)1ms以上，IPM即向外部CPU發(fā)出誤動(dòng)作信號(hào)，直到故障撤銷為止。若報(bào)警時(shí)間大于1.8ms時(shí)，此時(shí)間內(nèi)IPM會(huì)封鎖門極驅(qū)動(dòng)，直到持續(xù)時(shí)間結(jié)束，門極驅(qū)動(dòng)通道開放。6制動(dòng)電路和逆變橋一樣，內(nèi)含IGBT、FRD、驅(qū)動(dòng)，通過外接制動(dòng)電阻可以方便地實(shí)現(xiàn)能耗制動(dòng)。保護(hù)電路名稱及功能4.2三相電源型逆變電路電路組成180°導(dǎo)電型工作方式120°導(dǎo)電型工作方式采用IGBT作為開關(guān)器件的電壓型三相橋式逆變電路如圖所示，它可以看成由三個(gè)電壓型單相半橋逆變電路組成。直流電源并聯(lián)有大容量濾波電容器，具有電壓源特性，內(nèi)阻很小。這使逆變器的交流輸出電壓被箝位為矩形波，與負(fù)載性質(zhì)無關(guān)。交流輸出電流的波形與相位則由負(fù)載功率因數(shù)決定。三相逆變電路由開關(guān)管和反并聯(lián)二極管組成6個(gè)橋臂，為濾波電容。6只開關(guān)管每隔電角度觸發(fā)導(dǎo)通1次，相鄰兩相的功率開關(guān)觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)間互差，一個(gè)周期共換相6次，對應(yīng)6個(gè)不同的工作狀態(tài)（又稱六拍）。根據(jù)開關(guān)的導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間不同，可以分為導(dǎo)電型和導(dǎo)電型兩種工作方式。三相逆變電路電路組成4.2三相電源型逆變電路電路組成180°導(dǎo)電型工作方式120°導(dǎo)電型工作方式三相電壓源型橋式逆變電路的每個(gè)橋臂的導(dǎo)電角度均為180，同一相（即同一半橋）上下兩個(gè)橋臂交替導(dǎo)電，各相開始導(dǎo)電的角度依次相差120，從而輸出相位互差的交流電壓。在任一瞬間，有且只有三個(gè)橋臂同時(shí)導(dǎo)通，或兩個(gè)上橋臂和一個(gè)下橋臂同時(shí)導(dǎo)通，或一個(gè)上橋臂和兩個(gè)下橋臂同時(shí)導(dǎo)通。因?yàn)槊看螕Q流都是在同一相上、下兩個(gè)橋臂之間進(jìn)行的，因此也被稱為縱向換流。為了防止同一相上下兩橋臂的開關(guān)器件同時(shí)導(dǎo)通而引起直流側(cè)電源的短路，要采取“先斷后通”的方法。180°導(dǎo)電型工作方式下電路工作波形如圖249所示。逆變器直流側(cè)電壓為E，當(dāng)上橋臂或下橋臂器件導(dǎo)電時(shí)，UVW三相相對于直流電源中點(diǎn)來說，其輸出分別為+E/2或-E/2。當(dāng)負(fù)載為星形對稱負(fù)載時(shí)，逆變器輸出的相電壓波形為交流六階梯波，每60間隔就發(fā)生一次電平的突變，且電平取值分別為+-E/3、+-2E/3；逆變器輸出的線電壓波形為120交流方波、幅值為E。4.2三相電源型逆變電路電路組成180°導(dǎo)電型工作方式120°導(dǎo)電型工作方式20°導(dǎo)電型逆變電路6只開關(guān)管的導(dǎo)通順序仍是VT_1、VT_2、VT_3、VT_4、VT_5、VT_6，時(shí)間間隔仍為60°；但每只開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為120°，任意瞬間只有兩個(gè)開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通，它們的換流在相鄰橋臂中進(jìn)行。120°導(dǎo)電型逆變電路的優(yōu)點(diǎn)是換流安全，因?yàn)樵谕粯虮凵蟽芍婚_關(guān)的導(dǎo)通間隔有固定的60°；但缺點(diǎn)是輸出電壓較低，相電壓為矩形波、幅值為E/2；線電壓為梯形波、幅值為E。工作波形如圖所示。與180°導(dǎo)電型對比可見，在同樣的E條件下，采用180°導(dǎo)電型逆變電路元器件利用率高，其輸出電壓也較高。但120°導(dǎo)電型可避免同相上下臂的直通現(xiàn)象，較為可靠。無論是180°還是120°導(dǎo)電型工作方式，諧波成分都比較大，會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱加劇且轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，特別是低速時(shí)，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)；電動(dòng)機(jī)是感性負(fù)載，當(dāng)電源頻率降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的感抗減小，在電源電壓不變的情況下電流將增加，會(huì)造成過電流故障，因此變頻的同時(shí)還需改變電壓的大小。4.2三相電源型逆變電路電路組成180°導(dǎo)電型工作方式120°導(dǎo)電型工作方式逆變器基本電路所需要解決的主要問題是：如何減少或消除高次諧波；如何在變頻的同時(shí)，改變輸出電壓的大小。改善波形的辦法有兩種：一種是由幾臺(tái)方波逆變器以一定相位差進(jìn)行多重化連接。另一種是采用脈寬調(diào)制（PWM）控制方式。目前通用變頻器均采用后一種方式。脈寬調(diào)制控制方式還可改變輸出電壓的大小。4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式（a）電路圖

（b）響應(yīng)波形

圖2-52測試電路及響應(yīng)波形（a）矩形（b）三角形（c）正弦半波圖2-53形狀不同面積相等的各種窄脈沖總結(jié)引例分析當(dāng)周期性地施加電壓脈沖時(shí)，電流響應(yīng)也是周期性的。通過傅里葉級數(shù)分解，電流響應(yīng)在低頻段的特性非常接近，在高頻段略有不同，與采樣控制理論中的結(jié)論是相符的。這一結(jié)論將作為PWM控制技術(shù)的重要理論基礎(chǔ)，稱為面積等效原理。以一個(gè)具體的R-L慣性電路環(huán)節(jié)為例，如圖2-52（a）所示，e(t)為輸入的電壓窄脈沖，面積相等形狀不同的各種脈沖如圖2-53所示。電流i(t)作為電路的輸出，不同窄脈沖時(shí)i(t)的響應(yīng)波形如圖2-52（b）所示。可以看出，在i(t)的上升階段，脈沖形狀不同時(shí)i(t)的形狀略有不同，但其下降段幾乎完全相同，通過實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證，當(dāng)脈沖越窄時(shí)，各i(t)波形的差異也就越小。4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式圖2-54正弦波PWM調(diào)制原理總結(jié)可以看出，脈沖序列中各脈沖的幅值相等，而寬變化度是按正弦規(guī)律的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的，而且在同一時(shí)間段（如半波內(nèi)）的脈沖數(shù)越多、脈沖寬度越窄，不連續(xù)的、按正弦規(guī)律改變寬度的多脈沖電壓u2就越等效于正弦電壓u1。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖寬度是按正弦規(guī)律變化、和正弦波等效的PWM波形，稱為正弦脈寬調(diào)制（SinePulseWidthModulation，SPWM）。要改變等效輸出正弦波的幅值時(shí)，只要按照同一比例系數(shù)改變上述各脈沖的寬度即可。分析圖片如果把上述脈沖序列利用相同數(shù)量的等幅不等寬的矩形脈沖來代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積（沖量）相等，就得到如圖2-54（b）所示的脈沖序列，這就是PWM波形。

4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式（a）單極性(b)雙極性圖2-55PWM控制波形單極性PWM控制雙極性PWM控制對于正弦波的負(fù)半周也采取同樣的方法，一個(gè)完整周期的等效PWM波形如圖2-55（a）所示。特點(diǎn)：在半個(gè)周期內(nèi)PWM波形的方向不變，這種控制方式稱為單極性PWM控制。根據(jù)面積等效原理，正弦波還可等效為如圖2-55（b）所示的PWM波。特點(diǎn)：半周期內(nèi)，PWM波形的極性交替變換，稱為雙極性PWM控制，這種方式在實(shí)際中應(yīng)用更為廣泛。4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式圖2-56

單極性PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路兩個(gè)輸入信號(hào)單極性SPWM控制方式PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路又稱調(diào)制電路，由比較器、數(shù)字邏輯電路等組成，它有兩個(gè)輸入信號(hào)，如圖2-56所示。載波uc（三角波）正弦波ur載波uc（三角波），它是頻率為fc、幅值為Ucm的單極性三角波，fc通常較高（它取決于開關(guān)器件的開關(guān)頻率）。調(diào)制電路輸出信號(hào)UG1~UG4接開關(guān)器件VT1~VT4的柵極。

4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式圖2-57單極性SPWM工作波形電路工作原理分析總結(jié)期間ur>uc，UA為負(fù)值、UB為正值，VT1、VT3截止，u0=0；期間ur>uc，UA為負(fù)值、UB為正值，VT1、VT3截止，u0=0；

①

輸出電壓u0是一個(gè)多脈沖波組成的交流電壓，脈沖波的寬度近似地按正弦規(guī)律變化。②

在正半周只有正脈沖電壓，在負(fù)半周只有負(fù)脈沖電壓，因此這種PWM控制稱為單極性SPWM控制。輸出電壓u0的基波頻率f1等于調(diào)制波頻率fr，輸出電壓u0的大小由電壓調(diào)制比M=Urm/Ucm決定。④

圖2-58所示的uo1即為輸出電壓u0的基波，載波比N=fc/fr越大，每半個(gè)正弦波內(nèi)的脈沖數(shù)目越多輸出電壓就越接近正弦波。③Ucm固定不變，改變Urm（改變調(diào)制比M）即可調(diào)控輸出電壓的大小，例如，增大Urm，M變大，每個(gè)脈沖波的寬度都增加，u0中的基波增大。4.3.1基本概念1.面積等效原理2.正弦脈寬調(diào)制原理3.SPWM控制方式圖2-58雙極性PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)

生成電路圖2-59雙極性SPWM工作波形改變調(diào)制波的頻率，即可改變逆變器輸出基波的頻率（頻率可調(diào)范圍一般為）；改變調(diào)制波的幅值，便可改變輸出電壓基波的幅值。

逆變器輸出的雖然是調(diào)制方波脈沖，但由于載波信號(hào)的頻率比較高（可達(dá)以上），在負(fù)載電感（如電動(dòng)機(jī)繞組的電感）的濾波作用下，可以獲得與正弦基波基本相同的正弦電流?？偨Y(jié)工作波形圖分析雙極性PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路如圖2-58所示，調(diào)制波仍為幅值Urm、頻率fr的正弦波ur，載波變?yōu)榉礥cm、頻率fc的雙極性三角波uc。

無論在ur的正半周還是負(fù)半周，ur>uc期間，輸出電壓u0=+E；ur<uc期間，u0=-E；工作波形如圖2-59所示。輸出電壓在正負(fù)半周中都有正、負(fù)脈沖電壓，這種PWM控制稱為雙極性SPWM控制。4.3.2

逆變電SPWM路1.單相橋式SPWM控制逆變電路2.三相橋式SPWM控制逆變電路拓展學(xué)習(xí)圖2-60單相橋式SPWM控制逆變電路①單相橋式SPWM控制的電壓源型逆變電路如圖2-60所示，其調(diào)制方式既可以是單極性SPWM調(diào)制，也可以是雙極性SPWM調(diào)制；采用PID電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方式。

②VT1~VT4開關(guān)管的SPWM控制信號(hào)來自控制電路。VT1，VT4開輸出為正；VT2,VT3開輸出為負(fù)。③微處理器通過AD口采集輸出負(fù)載端的電壓和電感上的電流，在微處理器內(nèi)部通過PI雙環(huán)控制，產(chǎn)生SPWM信號(hào)波輸出至驅(qū)動(dòng)電路，輸出經(jīng)過LC濾波形成正弦波電壓。

分析④采用SPWM控制，逆變器相當(dāng)于一個(gè)可控的功率放大器，既能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，又能實(shí)現(xiàn)調(diào)頻，加上它體積小，重量輕，可靠性高，而且調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能好，因而在變頻器中獲得廣泛的應(yīng)用。

4.3.2

逆變電SPWM路1.單相橋式SPWM控制逆變電路2.三相橋式SPWM控制逆變電路拓展學(xué)習(xí)圖2-61三相橋式SPWM控制逆變電路三相橋式SPWM控制逆變電路如圖2-61所示，這種電路都是采用雙極性控制方式。三相橋式PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路（調(diào)制電路）如圖2-62所示

①電路引入了閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，Uo*為輸出電壓的指令值，Uo為輸出電壓的實(shí)測反饋值，電壓偏差?UO=Uo*-Uo。

③uUr,uVr,uWr與公用載波uc相比較產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)UG1~UG6，控制六個(gè)全控型開關(guān)器件的通、斷，從而控制逆變器輸出的三相交流電壓uUo(t)、uVo(t)、uWo(t)的瞬時(shí)值。U、V和W各相開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。分析4.3.2

逆變電SPWM路1.單相橋式SPWM控制逆變電路2.三相橋式SPWM控制逆變電路拓展學(xué)習(xí)圖2-62三相橋式SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成電路①當(dāng)uUr>uc時(shí)，UG1為正值驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通，UG4為負(fù)值使VT4截止，uUo=+E/2；分析②當(dāng)uUr<uc時(shí)，VT1截止/VT4導(dǎo)通，uUo=-E/2。④當(dāng)給VT1(或VT4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是VT1(或VT4)導(dǎo)通，也可能是二極管VD1

(或VD4)續(xù)流導(dǎo)通，這要由阻感性負(fù)載中電流的方向來決定，和單相橋式PWM型逆變電路在雙極性控制時(shí)的情況相同。③VT1和VT4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終是互補(bǔ)的。因?yàn)閁、V和W各相開關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來說明。引入4.3.2

逆變電SPWM路1.單相橋式SPWM控制逆變電路2.三相橋式SPWM控制逆變電路3.拓展學(xué)習(xí)圖2-63三相橋式SPWM控制逆變電路工作波形對比分析

當(dāng)實(shí)際輸出電壓基波小于指令值(Uo<Uo*)時(shí)：當(dāng)實(shí)際輸出電壓基波大于指令值(Uo>Uo*)時(shí)：電壓偏差UO=Uo*-Uo>0電壓調(diào)節(jié)器VR輸出的Urm增大，M值增大，使輸出電壓各脈寬加寬，輸出電壓Uo增大到給定值Uo*Uo<0；Urm減小，M減小，使輸出電壓Uo減到Uo*。如果電壓調(diào)節(jié)器VR為PI調(diào)節(jié)器（無靜差)，則可使穩(wěn)態(tài)時(shí)保持Uo*=Uo，即當(dāng)電源E電壓改變或負(fù)載改變而引起輸出電壓偏離給定值時(shí)，電壓閉環(huán)控制可使輸出電壓Uo跟蹤并保持為給定值Uo*。

這種控制技術(shù)也叫做PWM跟蹤控制技術(shù)。4.3.2

逆變電SPWM路1.單相橋式SPWM控制逆變電路2.三相橋式SPWM控制逆變電路3.拓展學(xué)習(xí)圖2-64分段調(diào)制舉例同步調(diào)制中,N為常數(shù)，一般取N為3的整數(shù)倍的奇數(shù)。這種方式可保持輸出波形的三相之間對稱，這種調(diào)制方式最高頻率與最低頻率輸出脈沖數(shù)是相同的。低頻時(shí)會(huì)顯得N值過小，導(dǎo)致諧波含量變大，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)加大。

異步調(diào)制中，改變正弦波信號(hào)fr的同時(shí)，三角波信號(hào)的fc值不變。這種方式在低頻時(shí)，N值會(huì)加大，克服了同步調(diào)制中的頻率不良現(xiàn)象。這種調(diào)制方式下由于N是變化的，會(huì)造成輸出三相波形的不對稱，使諧波分量加大。但隨功率器件性能的不斷提高，如能采用較高的頻率工作，以上缺點(diǎn)就不突出了。將調(diào)制過程分成幾個(gè)同步段調(diào)制，這樣既克服了同步調(diào)制中的低頻N值太低的缺點(diǎn)，又具有同步調(diào)制的三相平衡的優(yōu)點(diǎn)。這種方式的缺點(diǎn)是在N值的切換點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)電壓突變或振蕩，可在臨界點(diǎn)采用滯后區(qū)的方法克服。分段同步調(diào)制的例子如圖2-64所示。概念載波頻率fc與調(diào)制頻率fr之比稱為調(diào)制比N。即N=fc/fr，在調(diào)制過程中可采用不同的調(diào)制比。它可分為：同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段調(diào)制三種。同步調(diào)制異步調(diào)制分段調(diào)制4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)用處：家用光伏發(fā)電系統(tǒng)是指供給無電或缺電的家庭、小單位等所使用的小型離網(wǎng)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)；特點(diǎn)：其具有靈活多樣、功率小、安裝方便的特點(diǎn)，既不占用額外土地，又有顯著的減排生態(tài)效益，被廣大邊遠(yuǎn)地區(qū)的農(nóng)牧民、邊防海島用戶以及離公共電網(wǎng)較遠(yuǎn)區(qū)域的居民所接受，如圖2-65所示。光伏組件、蓄電池光伏控制器和逆變器等組成如圖2-66所示。逆變器是把太陽能電池組件或者蓄電池輸出的直流電轉(zhuǎn)換成交流電供應(yīng)給電網(wǎng)或者交流負(fù)載使用的設(shè)備。圖2-65家用光伏電站圖2-66離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹組成及功能4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)家用光伏發(fā)電系統(tǒng)組成光伏組件：太陽能光伏組件既是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分。蓄電池：蓄電池的作用主要是存儲(chǔ)太陽能光伏組件發(fā)出的電能，并可隨時(shí)向負(fù)載供電。光伏控制器：光伏控制器是具有防止蓄電池過充放電、系統(tǒng)短路和極性反接、夜間防反充等保護(hù)功能的電子設(shè)備。逆變器：逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的另一個(gè)重要組成部分。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)說明：太陽能光伏組件既是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是光伏發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分；圖2-67光伏組件作用：其作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，并送往蓄電池中存儲(chǔ)起來，也可以直接用于推動(dòng)負(fù)載工作。（1）光伏組件4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)作用：主要是存儲(chǔ)太陽能光伏組件發(fā)出的電能，并可隨時(shí)向負(fù)載供電。圖2-68蓄電池組（2）蓄電池現(xiàn)狀：目前我國與太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)配套使用的蓄電池主要是鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池。當(dāng)需要大容量電能存儲(chǔ)時(shí)，就需要將多只蓄電池串、并聯(lián)起來構(gòu)成蓄電池組。如圖2-68所示。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)對蓄電池的基本要求：自放電率低、使用壽命長、充電效率高、深放電能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬、少維護(hù)或免維護(hù)以及價(jià)格低廉等。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2-69所示。圖2-69光伏控制器（3）光伏控制器作用：光伏控制器是具有防止蓄電池過充放電、系統(tǒng)短路和極性反接、夜間防反充等保護(hù)功能的電子設(shè)備。說明：由于蓄電池組過充電或過放電后將嚴(yán)重影響其性能和壽命，因此光伏控制器在光伏系統(tǒng)中是必不可少的。功能：有光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)等工作模式在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補(bǔ)償功能。充電狀態(tài)、蓄電池電量等各種工作狀態(tài)的顯示功能4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（4）逆變器說明：逆變器是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的另一個(gè)重要組成部分，如圖2-70所示。圖2-70光伏逆變器作用：將太陽能電池組件產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為交流電以供家庭或商業(yè)用途，如圖2-70所示。情景：

①在電氣工程中，逆變器需要了解其輸入電流和電壓的特性，并為其提供適當(dāng)?shù)碾娫础?/p>

②自動(dòng)化技術(shù)可以用于逆變器的控制和監(jiān)測，以最大化其效率和可靠性。逆變器按運(yùn)行方式可分為獨(dú)立運(yùn)行逆變器和并網(wǎng)逆變器。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)①太陽能電池組件構(gòu)成的光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換成直流電能，通過匯流箱匯流，再經(jīng)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電②根據(jù)光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定的光伏發(fā)電站容量，確定光伏發(fā)電站接入電網(wǎng)的電壓等級，由變壓器升壓后，接入公共電網(wǎng)。圖2-71并網(wǎng)光伏電站的系統(tǒng)組成

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指由多個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)組成的電力發(fā)電系統(tǒng)，通過并網(wǎng)方式向電網(wǎng)供電發(fā)電能力從幾十千瓦到數(shù)百兆瓦不等，典型特征為不需要蓄電池，具有維護(hù)成本低的優(yōu)勢。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通常由太陽能電池組件、逆變器、變壓器、配電柜、監(jiān)控系統(tǒng)等組成，如圖2-71所示。說明特點(diǎn)組成工作原理：4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏陣列防雷匯流箱：單塊太陽能光伏組件并不能滿足功率要求，常將若干個(gè)組件按一定方式組裝在支架上，形成光伏陣列。并網(wǎng)逆變器：將電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻、同相的正弦波電流，饋入公共電網(wǎng)。交流配電柜：用于實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電量的輸出、監(jiān)測、顯示以及設(shè)備保護(hù)等功能的交流配電單元。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)：監(jiān)視、測量和控制，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)在光伏陣列防雷匯流箱里配置了光伏專用的直流防雷模塊（如圖2-73所示）、直流熔斷器和斷路器等電氣部件，方便維護(hù)，提高可靠性和實(shí)用性。（a）外觀圖

（b）內(nèi)部圖圖2-72光伏陣列防雷匯流箱圖2-73防雷模塊（1）光伏陣列防雷匯流箱光伏陣列：常將若干個(gè)組件按一定方式（串、并聯(lián)）組裝在支架上，形成太陽能電池陣列（Solar

Array或PV

Array），也稱為光伏陣列。改善：為了減少光伏陣列與逆變器之間的連線，一般在光伏陣列與逆變器之間增加光伏陣列防雷匯流箱，如圖2-72所示。分析4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻、同相的正弦波電流，饋入公共電網(wǎng)（a）應(yīng)用場景

（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-74并網(wǎng)逆變器（2）并網(wǎng)逆變器作用：特點(diǎn)：具有高效率、高可靠性、直流輸入電壓寬范圍、正弦波輸出失真度小等特點(diǎn)，如圖2-74所示。4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)通過交流配電柜為逆變器提供輸出接口，配置輸出交流斷路器直接并網(wǎng)（或供交流負(fù)載使用），在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要維修時(shí)，不會(huì)影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)（或負(fù)載）的安全，同時(shí)也保證了維修人員的人身安全。（a）外觀圖

（b）內(nèi)部圖

圖2-75交流配電柜（3）交流配電柜說明：交流配電柜是用于實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電量的輸出、監(jiān)測、顯示以及設(shè)備保護(hù)等功能的交流配電單元，如圖2-75所示。交流配電柜可以將逆變器輸出的交流電接入后，經(jīng)過斷路器接入電網(wǎng)，以保證系統(tǒng)的正常供電，同時(shí)還能對線路電能進(jìn)行計(jì)量。作用優(yōu)點(diǎn)4.4光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)4.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)功能：通過對光伏電站的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備參數(shù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行監(jiān)視、測量和控制，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。（a）結(jié)構(gòu)圖

（b）監(jiān)控界面圖2-76計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（4）計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)展開：計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)一般分為三個(gè)層次，如圖2-76所示。站控層網(wǎng)絡(luò)層間隔層4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證引言

逆變器本質(zhì)是變頻器，變頻器是一種將一種頻率的電源變換成另一種頻率電源的器件。如變頻器可以將直流電逆變成不同頻率的交流電，將交流電變換成直流電，或逆變成不同頻率的交流電，甚至可以將一定頻率的交流電變換成頻率連續(xù)可調(diào)的交流電。通過變頻器可以實(shí)現(xiàn)整流、直流斬波、逆變、交-交變頻及交-直-交變頻等。逆變器的種類很多,可按照不同方法進(jìn)行分類。這里僅介紹幾種常見分類。頻率輸出相數(shù)電能去向電路形式輸出波形分類4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證逆變器的分類按逆變器輸出交流電能的頻率，可分為工頻逆變器、中頻逆變器和高頻逆變器。其中，工頻是指交流電力系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率值，是電氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。按逆變器輸出的相數(shù)，可分為單相逆變器、三相逆變器和多相逆變器。工頻逆變器頻率為50Hz到60Hz中頻逆變器頻率一般為400Hz到10kHz高頻逆變器頻率一般為十幾kHz到MHz1.頻率2.輸出相數(shù)4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證按逆變器輸出電能的去向，可分為有源逆變器和無源逆變器。3.電能去向?qū)⒛孀冸娐返慕涣鱾?cè)接到交流電網(wǎng)上，把直流電逆變成同頻率的交流電反送到電網(wǎng)去，稱為有源逆變器；將逆變器的交流側(cè)不與電網(wǎng)連接，而是直接接到負(fù)載，即將直流電逆變成某一頻率或可變頻率的交流電供給負(fù)載稱為無源逆變器。有源逆變器無源逆變器主要用于直流電機(jī)的可逆調(diào)速、繞線型異步電機(jī)的串級調(diào)速、高壓直流輸電和太陽能發(fā)電等方面。此類逆變器在交流電機(jī)變頻調(diào)速、感應(yīng)加熱、不停電電源等方面應(yīng)用十分廣泛，是構(gòu)成電力電子技術(shù)的重要內(nèi)容。用途用途4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證按逆變器主電路的形式，可分成四種。4.電路形式單端式逆變器推挽式逆變器半橋式逆變器全橋式逆變器單端是指只有一個(gè)晶體管或電子管負(fù)責(zé)處理信號(hào)的正負(fù)兩個(gè)半周推挽是指二個(gè)晶體管或電子管各負(fù)責(zé)處理信號(hào)的正負(fù)兩個(gè)半周缺點(diǎn):線路相對復(fù)雜，對維修技術(shù)要求高，價(jià)格較貴。5.輸出波形方波：①方波逆變器輸出的交流電壓波形為50Hz。

②線路比較簡單，使用的功率開關(guān)管數(shù)量少。設(shè)計(jì)功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。

③含有大量高次諧波，在以變壓器為負(fù)載的用電器中將產(chǎn)生附加損耗，對收音機(jī)和某些通信設(shè)備也有干擾此外，這類逆變器中有的調(diào)壓范圍不夠?qū)挘械谋Ｗo(hù)功能不夠完善，噪聲也比較大。正弦波：優(yōu)點(diǎn)：輸出波形好，失真度低，對通信設(shè)備無干擾，噪聲也很低。此外，保護(hù)功能齊全，對電感型和電容型負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的技術(shù)要求引言逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換的核心，不僅要監(jiān)測網(wǎng)源兩側(cè)的電力同步，還要具有最大功率追蹤(MPPT)、孤島效應(yīng)及監(jiān)測、低電壓穿越等功能。掌握并網(wǎng)逆變器關(guān)鍵技術(shù)對推廣并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排有著十分重要的意義。在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應(yīng)為失真度較小的正弦波較高的可靠性直流輸入電壓有較寬的適應(yīng)范圍由于目前太陽電池的價(jià)格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設(shè)法提高逆變器的效率。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變器具有合理的電路結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。由于太陽電池的端電壓隨負(fù)載和日照強(qiáng)度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內(nèi)阻的變化而波動(dòng)，特別是當(dāng)蓄電池老化時(shí)其端電壓的變化范圍很大。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產(chǎn)生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載為通信或儀表設(shè)備，這些設(shè)備對供電品質(zhì)有較高的要求。另外，系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，為避免對公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出失真度滿足要求的正弦波形。較高的逆變效率4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不需要經(jīng)過蓄電池儲(chǔ)能，而是直接通過并網(wǎng)逆變器將電能饋入公共電網(wǎng)，所以必須保持兩組電源電壓、相位、頻率等電氣特性的一致性，否則會(huì)造成兩組電源相互間充、放電，引起整個(gè)電源系統(tǒng)內(nèi)耗和不穩(wěn)定。引言光伏電池陣列DC/DC變換器逆變器集成的繼電保護(hù)裝置典型的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)包括：①通過DC/DC升壓斬波變換器，可以在變換器和逆變器之間建立直流環(huán)。④繼電保護(hù)系統(tǒng)可以保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)的安全性。③逆變器用來向交流電網(wǎng)系統(tǒng)提供功率②升壓斬波器根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小用來提升光伏陣列的電壓以達(dá)到一個(gè)合適的水平，同時(shí)DC/DC變換器也作為最大功率點(diǎn)跟蹤器，增大光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。圖2-77并網(wǎng)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.結(jié)構(gòu)組成4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證并網(wǎng)逆變器基本電路包含：輸入電路、輸出電路、主逆變開關(guān)電路(簡稱主逆變電路)、控制電路、輔助電路和保護(hù)電路等模塊，如圖2-78所示。各模塊作用如表25所示。圖2-78逆變器電路模塊目前逆變器多數(shù)采用電力場效應(yīng)晶體管（P-MOSFET）、絕緣柵極晶體管（IGBT）以及智能型功率模塊（IPM）等多種先進(jìn)且易于控制的大功率器件，控制逆變驅(qū)動(dòng)電路也從模擬集成電路發(fā)展到單片機(jī)控制，甚至采用數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制，先進(jìn)的控制技術(shù)如矢量控制技術(shù)、多電平變換技術(shù)、重復(fù)控制技術(shù)、模糊邏輯控制技術(shù)等在逆變器中得到應(yīng)用，使逆變器向著高頻化、節(jié)能化、全控化、集成化和多功能化方向發(fā)展。說明現(xiàn)狀4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證序號(hào)模塊作用1輸入電路為主逆變電路提供可確保其正常工作的直流工作電壓2主逆變電路通過半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷完成逆變的功能。逆變器的核心，分為隔離式和非隔離式兩大類，常用的半導(dǎo)體功率開關(guān)器件主要有晶閘管、大功率晶體管，功率場效應(yīng)晶體管及功率模塊等3輸出電路對主逆變電路輸出的交流電的波形頻率，電壓、電流的幅值和相位等進(jìn)行修正、補(bǔ)償、調(diào)理，使之能滿足使用需求4控制電路為主逆變電路提供一系列的控制脈沖來控制逆變開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，配合主逆變電路完成逆變功能5輔助電路將輸入電壓變換成適合控制電路工作的直流電壓。輔助電路還包含了多種檢測電路6保護(hù)電路包括輸入過電壓、欠電壓保護(hù)電路，輸出過電壓、欠電壓保護(hù)電路，過載保護(hù)電路，過電流和短路保護(hù)電路，過熱保護(hù)電路等表25逆變器組成模塊功能說明4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證2.基本拓?fù)涓鶕?jù)有無隔離變壓器，光伏并網(wǎng)逆變器可分為隔離型和非隔離型兩種，其中隔離型又分為工頻隔離型和高頻隔離型，非隔離型又分為單級非隔離型和多級非隔離型。光伏并網(wǎng)逆變器隔離型非隔離型工頻隔離型高頻隔離型多級非隔離型單級非隔離型4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器①體積大、質(zhì)量重、噪音高、效率低4.5.3仿真驗(yàn)證（1）隔離型光伏逆變器根據(jù)隔離變壓器的工作頻率，可以將其分為工頻隔離型和高頻隔離型兩類。工頻隔離型是光伏并網(wǎng)逆變器最常用的結(jié)構(gòu)，也是目前市場上使用最多的光伏逆變器類型，其結(jié)構(gòu)如圖2-80所示分析③也保證了系統(tǒng)不會(huì)向電網(wǎng)注入直流分量，有效地防止配電變壓器飽和。①工頻變壓器同時(shí)完成電壓匹配以及隔離功能②有效防止人接觸到直流側(cè)的正極或負(fù)極，降低電網(wǎng)電流通過橋臂形成回路對人構(gòu)成傷害的可能性，提高系統(tǒng)的安全性②它占逆變器總重量的50%左右，使得逆變器外形尺寸難以減?、酃ゎl變壓器的存在還增加了系統(tǒng)損耗、成本，并增加了運(yùn)輸、安裝的難度。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證說明：單相工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器如圖2-79所示，一般可采用全橋或半橋結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：這類單相結(jié)構(gòu)常用于幾千瓦以下功率等級的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其中直流工作電壓一般小于600V。（1）隔離型光伏逆變器工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器常規(guī)的拓?fù)湫问接袉蜗嘟Y(jié)構(gòu)、三相結(jié)構(gòu)等。圖2-79單相工頻隔離型電路拓?fù)鋯蜗喙ゎl隔離型4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證圖2-80三相工頻隔離型電路拓?fù)洌?）隔離型光伏逆變器工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器常規(guī)的拓?fù)湫问接袉蜗嘟Y(jié)構(gòu)、三相結(jié)構(gòu)等。說明：三相工頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器如圖2-80所示，一般可采用全橋或三電平半橋結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：①這類三相結(jié)構(gòu)常用于數(shù)十甚至數(shù)百千瓦以上功率等級的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。②其中三相全橋結(jié)構(gòu)的直流工作電壓一般在450V到820V;

③而三電平半橋結(jié)構(gòu)的直流工作電壓一般在600到1000V。④另外三電平半橋結(jié)構(gòu)可以取得更好波形品質(zhì)。三相工頻隔離型4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證（1）隔離型光伏逆變器高頻隔離型背景：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，為減小逆變器的體積和質(zhì)量，高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。分析：在具體的電路結(jié)構(gòu)上，高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器前級DC/DC部分可采用推挽式、半橋式以及全橋式變換電路形式；后級逆變器部分可采用半橋式和全橋式等變換電路形式，關(guān)系如下圖。高頻隔離型光伏并網(wǎng)逆變器前級DC/DC后級逆變器推挽式全橋式多級非隔離型半橋式半橋式全橋式①實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)最終輸出的電壓等級以及功率大小確定合適的電路拓?fù)湫问?。②一般而言，推挽式電路適用于低壓輸入變換場合，半橋和全橋電路適用于高壓輸入場合說明4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證高頻電壓型全橋逆變器采用SPWPM調(diào)制方式，將光伏陣列發(fā)出的直流電壓逆變成雙極性三電平SPWM高頻脈沖信號(hào)；高頻變壓器將該信號(hào)升壓后傳輸給后級橋式整流電路，電感濾波后，變換成半正弦波形；最后由全橋逆變器輸出工頻正弦波饋入電網(wǎng)。高頻隔離型隔離型光伏逆變器全橋式DC/DC變換型光伏并網(wǎng)逆變器電路構(gòu)成如右圖，由高頻電壓型全橋逆變器、高頻變壓器、橋式整流電路、直流濾波電感和全橋逆變器組成，如圖2-81所示。圖2-81全橋式DC/DC變換型光伏并網(wǎng)逆變器電路拓?fù)浞治龈哳l電壓型全橋逆變器高頻變壓器橋式整流電路直流濾波電感全橋逆變器4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證非隔離型光伏逆變器為了盡可能地提高光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的效率和降低成本，在不需要強(qiáng)制電氣隔離的條件下，可以采用不隔離的無變壓器型拓?fù)浞桨?。背景③其輸出功率小?kW，主要用于戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。系統(tǒng)的主電路也比較簡單，但由于每組光伏陣列只能在工頻電網(wǎng)的半周內(nèi)工作，效率相對較低。基于Buck-Boost電路的單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-82所示組成：由兩組光伏陣列和Buck-Boost型斬波器組成特點(diǎn)：①由于中間儲(chǔ)能電感的存在，這種非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的輸出交流端無需接入流過工頻電流的電感，因此逆變器的體積、質(zhì)量大為減小。工作原理：兩個(gè)Buck-Boost型斬波器工作在固定開關(guān)頻率的電流不連續(xù)狀態(tài)（discontinuouscurrentmode，DCM）下，并且在工頻電網(wǎng)的正負(fù)半周中控制兩組光伏陣列交替工作。圖2-82基于Buck-Boost單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)洧跓o需變壓器便能適配較寬的光伏陣列電壓以滿足并網(wǎng)發(fā)電要求。4.5逆變器的設(shè)計(jì)與仿真4.5.1逆變器概述4.5.2并網(wǎng)逆變器4.5.3仿真驗(yàn)證①在傳統(tǒng)拓?fù)涞姆歉綦x式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能電池組件輸出電壓必須在任何時(shí)刻都大于電網(wǎng)電壓峰值，所以需要光伏組件串聯(lián)，來提高光伏系統(tǒng)輸入電壓等級。

②但是多個(gè)光伏組件串聯(lián)常常可能由于部分電池板被云層等外部因素遮蔽，導(dǎo)致光伏組件輸出能量嚴(yán)重?fù)p失，輸出電壓跌落，無法保證輸出電壓在任何時(shí)刻都大于電網(wǎng)電壓峰值，使整個(gè)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)不能正常工作，而且只通過一級能量變換常常難以很好地同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變兩個(gè)功能。

③雖然上述基于Buck-Boost電路的單級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器能克服這一不足，但其需要兩組光伏陣列連接并交替工作?，F(xiàn)狀可以采用多級變換的非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器來解決這一問題，通常多級非隔離型光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)溆蓛刹糠謽?gòu)成，即前級的DC/DC變換器以及后級的DC