关于光伏发电逆变电路的设计与研究

关于光伏发电逆变电路的设计与研究

徐欢

国电电力内蒙古新能源开发有限公司   内蒙古呼和浩特  010000

摘要：光伏发电作为一种清洁、可再生的能源技术在能源产业中的地位日益重要。然而，光伏发电系统中存在着直流电能转换为交流电能的关键问题，即逆变电路的设计与研究。逆变电路的性能直接影响着光伏系统的效率、稳定性和功率输出，因此，对逆变电路的改进研究具有重要意义。本文针对光伏发电逆变电路的设计与研究展开详细探讨，目的是提高光伏系统的整体效能、降低能量损失，并为光伏发电技术的推广与应用提供有力支持。通过对逆变电路工作原理、设计方法、等方面的系统分析，本研究将为光伏发电逆变电路的优化与改进提供理论依据和实践指导，为光伏发电的可持续发展贡献力量。

关键词：光伏发电；逆变电路；能源技术

    光伏发电逆变电路的设计与研究是太阳能发电技术中的重要方向之一，其重要性不断凸显。在过去几十年中，随着太阳能发电技术的不断发展，光伏发电逆变电路的结构和控制策略也不断得到改进和优化，上述改进和优化使得光伏发电逆变电路的效率、稳定性和可靠性得到了大幅提升，为清洁能源的发展做出了贡献。未来，随着太阳能发电技术的不断发展和应用，光伏发电逆变电路的研究和设计将面临更多的挑战。

一、基本原理与设计思路

（一）基本原理

光伏发电逆变电路的基本原理是将光伏电池阵列产生的直流电能转换为交流电能。逆变电路通过交变开关器件控制直流电的通断，使其频率和幅值与目标交流电网相匹配。逆变电路的设计需要考虑功率损耗、效率、稳定性、谐波抑制和电流保护等因素。常见的逆变电路包括单相和三相逆变电路，适用于不同类型的交流电网。

（二）逆变器损耗

逆变器在将直流电转换为交流电的过程中会引入一定的能量损耗。主要包括开关器件导通和截止时的导通损耗、开关过渡过程中的开关损耗、传输线路的电阻和电感损耗以及控制电路的功耗等。开关器件导通和截止时的导通损耗主要取决于开关器件的导通电阻以及电流和电压的大小。当开关器件导通时，会有一定的电阻损耗；当开关器件截止时，也会有截止损耗。而开关过渡过程中的开关损耗主要是由于开关器件在切换过程中的导通和截止过程中的动态功耗引起的，上述损耗与开关频率以及开关器件的特性有关。其次，传输线路中的电阻和电感也会引入一定的损耗，当交流电流通过线路时，线路本身的电阻和电感会引起能量的损耗。

（三）设计思路

选择逆变器拓扑结构时，需要考虑输出功率、效率、成本等方面，以及逆变器拓扑结构的优缺点，以确定最适合应用场景的拓扑结构。而在选择逆变器控制方式时，则应当根据输出波形的要求来选择合适的控制方式。PWM控制是一种常用的控制方式，可以减小输出波形的谐波含量。当涉及到功率开关器件时，需要考虑其开关速度、损耗、可靠性等因素。IGBT、MOSFET、GaN和SiC等器件都具有相应优缺点。除此之外，在设计滤波器元件时，需要根据输出波形的要求来选择合适的滤波器元件，其中电感、电容、滤波器谐振器等元件可以用于滤除输出波形中的谐波。控制电路在设计使则需要充分考虑控制精度、抗干扰性等因素，输入滤波器、信号处理器、PWM控制器等电路的设计需要细致而周密，以确保逆变器在使用过程中的稳定性和可靠性。最后，需要进行电路仿真和测试，以验证电路的性能和可靠性。通过仿真和测试，可以发现电路中的问题并进行优化，以确保逆变器的稳定性和可靠性。

二、系统硬件设计

（一） IR2110电路

IR2110是一款高性能的单通道MOSFET和IGBT驱动器芯片，被广泛应用于逆变器、变频器、电机驱动器等领域。因此IR2110可以在光伏发电逆变电路中可以用作一个高速、低延迟的驱动器，用来控制逆变电路中的MOSFET或IGBT器件。IR2110也可以提供高达2A的输出电流，可以驱动大功率的器件。此外，IR2110还具有保护功能，如过流保护、欠压保护等，可以有效地保护逆变器电路和器件。而在光伏发电逆变电路中，IR2110通常与其他元器件一起使用，如电感、电容、滤波器等，来组成完整的逆变电路，IR2110的输入引脚需要连接逆变器控制电路的信号源，如PWM信号源，以控制输出波形的频率和占空比。同时，IR2110的输出引脚需要连接MOSFET或IGBT器件的控制端，以控制器件的开关状态。

（二）LC滤波电路设计原理

LC滤波电路是一种常见的电源滤波电路，可以用于滤除电源输出中的高频噪音和谐波，使电源输出的电压平滑稳定。在设计LC滤波电路时，需要综合考虑滤波电容器的容值、滤波电感器的电感值、滤波电路的截止频率和品质因数等因素。具体步骤包括确定电源输出电压波动允许范围、计算滤波电容器和电感器的容值和电感值、确定滤波电路的截止频率和Q值，以及选择合适的电容和电感器。在设计过程中需要进行充分的计算和选择，以确保LC滤波电路能够有效地滤除电源输出中的高频噪音和谐波，并保持输出电压的平稳和稳定性。

（三）PWM控制基本原理

PWM控制器通常包括一个比较器和一个计数器。比较器用于比较计数器的值和一个参考值，当计数器的值小于参考值时，输出一个高电平信号，否则输出一个低电平信号。计数器的值和参考值的差值就是脉冲宽度。通过改变参考值（或计数器的值），可以改变脉冲宽度，从而改变输出信号的平均电平值。

三、系统软件设计

（一）产生PWM信号流程

在使用555定时器产生PWM信号时，需要将555定时器配置为单稳态触发器或双稳态触发器模式，并使用外部电容和电阻来控制脉冲宽度和频率；在使用AVR单片机产生PWM信号时，可以使用AVR的PWM模块，通过设置寄存器的值来控制PWM的频率和占空比；程序的主要思路是：使用定时器0产生1ms的定时中断，并在中断服务程序中对计数器变量进行累加；在主函数中，检查计数器变量是否达到1000ms，如果达到则切换PB0引脚的状态，并重置计数器变量。需要注意的是，中断服务程序中的变量需要使用`volatile`关键字进行声明，以确保值能够及时更新，避免编译器进行优化。

四、仿真测试与结果

（一）仿真测试环境

使用的仿真测试软件为LTspice，其中，光伏电池用电压源模拟，逆变电路采用单相全桥逆变电路，直流滤波电容为1000uF，负载电阻为10Ω，开关频率为50kHz。

（二）仿真测试结果

在LTspice中运行仿真程序后，可以得到逆变电路的电压波形和电流波形，逆变电路的输出电压波形为正弦波，频率为50Hz，幅值为220V。同时，逆变电路的输出电流波形也呈正弦波形，与输出电压波形相位相同，且随着负载电阻的变化而变化。

结束语

综上所述，光伏发电逆变电路的设计与研究是太阳能发电技术中的重要方向之一。通过对光伏发电逆变电路的深入研究和优化，可以提高光伏发电系统的效率、稳定性和可靠性，为清洁能源的发展做出贡献。当然也期待着未来更多的创新和突破，为清洁能源的发展开辟更广阔的道路。

参考文献：

[1]孙幸懿马星宇吴启悦冯飞赵恒.光伏发电逆变电路的设计与研究[J].电子产品世界,2022,29(12).

[2]刘泉泉.光伏发电逆变器结构设计的优化策略[J].通信电源技术,2021, (003).

[3]王芳.分布式光伏发电站的并网控制技术与系统设计[J].河南科技,2023, (3).