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一、概述

太陽能被稱為最理想的新能源，具有無枯竭危險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)。太陽能發(fā)電具有安全可靠、無噪聲、無污染排放、絕對(duì)干凈，不受資源分布地域的限制等優(yōu)勢(shì)，但由于光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電流為直流電，而民用電力以交流供電為主，若想在實(shí)際生活生產(chǎn)中應(yīng)用太陽能發(fā)電提供的能量，就需通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電來驅(qū)動(dòng)家用電器等負(fù)載。綜上所述，逆變器在太陽能發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中具有舉足輕重的作用，故對(duì)電源逆變器的掌握對(duì)學(xué)習(xí)太陽能發(fā)電實(shí)際應(yīng)用有著重要的意義。

我公司在現(xiàn)有太陽能實(shí)驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上又推出此款逆變電源實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要將太陽能離并網(wǎng)逆變器的工作原理以教學(xué)的形式展示在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，其即是應(yīng)用產(chǎn)品又是教學(xué)演示裝置，學(xué)生通過對(duì)此設(shè)備的了解，基本上掌握逆變器的原理與應(yīng)用。

二、原理圖

1、并網(wǎng)電源

2、獨(dú)立逆變器

三、太陽能并網(wǎng)逆變器原理及特點(diǎn)

TRM-JX8型太陽能逆變電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由專業(yè)的太陽能逆變系統(tǒng)(大于1000W)與太陽能逆變系統(tǒng)的教學(xué)及演示電路裝置組成的。

（一）專業(yè)的太陽能逆變系統(tǒng)
    并網(wǎng)逆變器是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，它將太陽能電池發(fā)出的直流電力逆變交流電力最大限度饋送入電網(wǎng)。我公司的太陽能逆變系統(tǒng)的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)具有以下幾點(diǎn)：
1、并網(wǎng)逆變器是采用美國TI公司DSP芯片作為控制部件的數(shù)字信號(hào)處理。此產(chǎn)品具有逆變部分采用開關(guān)速度快、功耗小的智能IGBT(IPM)作為功率器件。逆變變壓器又是采用噪音小完全隔離型的，所以逆變器具有了輸出波形失真小、動(dòng)態(tài)特性好、逆變效率高等特性。
2、逆變系統(tǒng)控制部分是采用高速度的微處理器為核心的控制部件，所以具有了輸出過載，輸出高、低電壓保護(hù)動(dòng)作快，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)壓精度高等特性。
3、系統(tǒng)具有輸出短路保護(hù)功能。采用輸出回路檢測(cè)保護(hù)和模塊飽和壓降檢測(cè)雙重保護(hù)，從而大大提高短路保護(hù)的可靠性。并且若逆變器檢測(cè)連續(xù)5次短路，將停止工作，直到手動(dòng)開啟。
4、逆變器輸出部分裝有射頻濾波器，使逆變器所帶的負(fù)載免受高頻諧波的干擾。
5、通過面板就能很清楚的了解逆變器的運(yùn)行狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)光伏電池電壓、頻率、市電電壓、頻率等參數(shù)通過 顯示屏實(shí)時(shí)顯示。
6、有各種報(bào)警功能，比如有市電停電報(bào)警，光伏電池欠壓報(bào)警等等。
7、單機(jī)逆變器由IGBT逆變支路、逆變器輸出變壓器、逆變器濾波電感和電容、逆變器的驅(qū)動(dòng)、控制電路、逆變器溫度傳感器組成。
8、逆變器的硬件電路工作原理包括逆變?nèi)珮颉⒆儔浩骰芈?、濾波回路、消尖峰回路和熱溫度開關(guān)五部分。
①逆變?nèi)珮?br />   采用（三相）全橋逆變器，目前選用的IPM模塊，直流電壓為600～740V，PWM波形生成方法是矢量算法直接給出數(shù)字脈寬調(diào)制(DSPWM)信號(hào)。逆變?nèi)珮蛴啥€(gè)IGBT組成。每個(gè)功率模塊包含二個(gè)功率單元，四個(gè)單橋組成全橋逆變電路。逆變驅(qū)動(dòng)板包含一個(gè)開關(guān)電源，給主回路和驅(qū)動(dòng)電路提供電源。
②變壓器回路
  變壓器是逆變器的關(guān)鍵器件，對(duì)交流的性能有重要的影響，所以變壓器需特殊設(shè)計(jì)，由于逆變?nèi)珮蚧芈肥荢PWM信號(hào)，所以含有直流分量，而工頻變壓器是按照基波50Hz正弦波設(shè)計(jì)，SPWM調(diào)制波工作時(shí)，就會(huì)發(fā)生變壓器磁飽和，從而引起橋路過流或損壞，所以要在制作時(shí)在變壓器設(shè)計(jì)中加大其漏感量，使鐵芯之間有一個(gè)很小的氣隙。然而降低了變壓器效率，變壓器銅損增大，因此，需提高銅線的質(zhì)量，提高散熱效果。輸出變壓器除了具有濾波作用外，還具有隔離的作用。同時(shí)該變壓器還根據(jù)用戶要求，升高或降低逆變器輸出電壓。
③濾波回路
  逆變橋的輸出波是SPWM高頻波，經(jīng)過LC濾波后成為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，從效果分析，LC常數(shù)越大，正弦波就越好，但是帶來了動(dòng)態(tài)性能變差的問題，我們?cè)谧儔浩髟吋覮C濾波以便降低變壓器直流分量和溫升，三角接法是因?yàn)槟孀兤鞑荒芸刂屏阈蚍至康膯栴}，在變壓器輸出端接入交流電容，為了進(jìn)一步濾掉高次諧波，降低波形失真度。
④消尖峰回路
  電源變壓器的漏感，其作用就象是與功率晶體管集電極串聯(lián)一個(gè)小電感。當(dāng)晶體管中電流關(guān)斷時(shí)，這個(gè)漏感使得在集電極電壓波形的正跳變沿上產(chǎn)生一個(gè)突增的尖峰，其電壓上升幅值可能超過2倍直流電壓。因此，為了消除漏感中的儲(chǔ)能每半周中在晶體管集電極上損耗使集電極瞬時(shí)擊穿現(xiàn)象，就必須增加消尖峰電路。如下圖所示的電路在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，有電流流過電容C和二極管V，使發(fā)射極——集電極之間的電壓上升速度減慢，這樣極間電壓的峰值降低，同時(shí)將電流下降和電壓上升的時(shí)間交錯(cuò)開，避免出現(xiàn)較大的瞬間開關(guān)損耗，圖中的電阻R用來在開關(guān)接通的瞬間，將電容C上電荷迅速放掉，并防止開關(guān)管集電極電流的過分增加，二極管V在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，將電阻R短路，提高電容C的電荷迅速放掉，并防止開關(guān)管集電極電流的過分增加，二極管V在開關(guān)管開斷時(shí)將電阻R短路，提高電容C的電壓吸收效果。
⑤熱溫度開關(guān)
  溫度開關(guān)是為消除功率管過熱而設(shè)置的。該開關(guān)置于功率管模塊散熱器上，一旦功率管過熱時(shí)，功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)被封鎖，逆變器停止輸出。當(dāng)溫度降到一定值時(shí)，逆變器可重新恢復(fù)工作。
9、逆變器的（軟件控制）工作原理
   逆變系統(tǒng)采用美國TI公司DSP芯片，其構(gòu)成的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，其特點(diǎn)如下：
①電壓調(diào)整和鎖相作用
  逆變器電壓調(diào)整是采用快調(diào)和慢調(diào)兩種方法，快調(diào)是控制芯片根據(jù)微處理傳來的數(shù)據(jù)，依照本身的初始化命令將產(chǎn)生正相SPWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)幀測(cè)電路產(chǎn)生三相正弦波。慢調(diào)是CPU采樣到電壓的變化率及頻率的變化運(yùn)算比較后，向控制芯片傳送新的數(shù)據(jù)，來改寫的調(diào)整電壓，以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定性。為了保證逆變器在任意時(shí)刻都能同步并網(wǎng),頻率、相位等必須跟蹤電網(wǎng)的頻率相位的變化，其稱之為鎖相。鎖相環(huán)是通過逆變器與電網(wǎng)頻率和相位進(jìn)一步運(yùn)算比較而調(diào)整逆變器的頻率和相位，我們的最小調(diào)整步距為0.02Hz所以實(shí)際輸出頻率為50Hz0．02Hz這一調(diào)整過程不會(huì)影響基準(zhǔn)頻率。
②邏輯狀態(tài)的幀測(cè)
a．內(nèi)部處理總線的輸入：
·直流電壓OK
·允許逆變
·同步調(diào)整命令
·鎖相跟蹤
b．邏輯狀態(tài)信號(hào)輸入
·控制電源正常
·時(shí)鐘正常
·輔助電源正常
·模塊溫度正常
·設(shè)有逆變器的“停止”命令
·用軟件停機(jī)
·操作面板停機(jī)
·控制器停機(jī)
③  直接控制器（DDC）的工作原理
a.接收并存儲(chǔ)微處理初始化命令和控制命令部分。它主要由總線控制，地址/數(shù)據(jù)總線，暫存器。寄存器及24位初始化寄存器，以上是以控制字的形式來實(shí)現(xiàn)。在工作之前，首先進(jìn)行初始化，即從CPU向寄存器輸入控制字，進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。
b.從內(nèi)部ROM中讀取及產(chǎn)生SPWM調(diào)制波形部分，它由地址發(fā)生波形ROM及控制邏輯構(gòu)成。由于調(diào)制波形關(guān)于90。，180。，270。對(duì)稱，所以ROM中存有0~90。的波形瞬時(shí)值，由地址發(fā)生器的信號(hào)直接從波形ROM中讀取波形數(shù)據(jù)，然后通過相位控制邏輯，把它組成0~360。的完整波形和三相波形，而不需要微處理器的幫助。
c.三相輸出控制電路：變相輸出控制電路，又由脈沖取消和脈沖延時(shí)電路構(gòu)成。脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于取消的脈沖去掉。延時(shí)電路保證死區(qū)間隔。
d.純正弦波的數(shù)學(xué)模型 X（t）=A ( sin (ωt ) )。

（二）太陽能逆變系統(tǒng)的教學(xué)及演示電路裝置
    由我公司生產(chǎn)TRM-JX8型太陽能逆變電源教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的逆變器系統(tǒng)是采用單片機(jī)控制正弦波輸出的逆變電源，它以48V直流電源作為輸入，輸出220V、50Hz、的正弦波交流電，以滿足高校教學(xué)演示和電子實(shí)驗(yàn)測(cè)試的需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級(jí)變換，前后級(jí)之間完全隔離，采用單片機(jī)數(shù)字化SPWM控制方式，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制，同時(shí)采樣電流做反饋控制。在保護(hù)上，具有輸入過、欠壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。太陽能并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由多個(gè)穩(wěn)定可靠的單元系統(tǒng)并網(wǎng)組成，試驗(yàn)單元滿足并網(wǎng)逆變器的防孤島保護(hù)功能試驗(yàn)、過載保護(hù)功能試驗(yàn)、過流保護(hù)試驗(yàn)、直流分量試驗(yàn)、逆變器功率測(cè)定試驗(yàn)、并網(wǎng)電流諧波試驗(yàn)，電網(wǎng)故障是并網(wǎng)逆變器工作性能檢測(cè)。
1、單元系統(tǒng)功能：
·  將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的低壓交流電，具有輸入過、欠壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性。
·  模擬交流用電設(shè)備諧振，有效精確檢測(cè)并網(wǎng)逆變器防孤島效應(yīng)保護(hù)功能；
·  檢測(cè)各種情況下交流逆變器的工作效率、輸出功率及帶載能力；
· 模擬各類工作環(huán)境，檢測(cè)逆變器在各種環(huán)境下的工作性能狀況；
·  整機(jī)采用電子電路控制，具有溫度過熱自動(dòng)斷開保護(hù)功能。
·  準(zhǔn)同期自動(dòng)并網(wǎng)功能。
2、單元系統(tǒng)參數(shù)為：
·  額定輸入電壓：46.5～50.5V；
·  額定輸出電壓：220V±10%、50Hz±1Hz、/三相220V±10%、50Hz±1Hz；
·  額定功率：1kVA；
·  輸出功率因數(shù)：≥0.80（感性負(fù)載、容性負(fù)載）；
·  逆變效率：≥80%；
·  電壓調(diào)整率：線性負(fù)載≤3%，非線性負(fù)載≤5%。
3、系統(tǒng)單元主要測(cè)試點(diǎn)包括開關(guān)管柵極漏極波形、蓄電池欠電壓測(cè)量、蓄電池保護(hù)點(diǎn)測(cè)量、升壓變壓器次級(jí)整流電壓、 單片機(jī)工作電壓的測(cè)量、單片機(jī)SPWM驅(qū)動(dòng)腳波形測(cè)量、全橋驅(qū)動(dòng)器輸出波形測(cè)量、母線電壓輸出波形（有效值、峰值）測(cè)量、母線電壓輸出頻率測(cè)量、母線前饋電壓電流采集測(cè)量十項(xiàng)。
4、結(jié)合試驗(yàn)箱上電路原理圖、測(cè)試點(diǎn)、顯示儀表和原理單元系統(tǒng)主要完成的實(shí)驗(yàn)包括逆變?cè)韺?shí)驗(yàn)；逆變過載保護(hù)實(shí)驗(yàn)；逆變器與市電互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)；逆變器欠過壓等保護(hù)實(shí)驗(yàn)。

（三）大規(guī)模光伏/風(fēng)能并網(wǎng)發(fā)電是充分利用太陽能/風(fēng)能的一種有效方式，在并網(wǎng)發(fā)電的應(yīng)用中，要防止  孤島效應(yīng)，通過防止孤島效應(yīng)以保證PV系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
     試驗(yàn)單元滿足并網(wǎng)逆變器的防孤島保護(hù)功能試驗(yàn)、過載保護(hù)功能試驗(yàn)、過流保護(hù)試驗(yàn)、直流分量試驗(yàn)、逆變器功率測(cè)定試驗(yàn)、并網(wǎng)電流諧波試驗(yàn)，電網(wǎng)故障，是并網(wǎng)逆變器工作性能檢測(cè)必不可少的檢測(cè)工具。
1、單元系統(tǒng)功能：
·  將太陽電池組件產(chǎn)生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載需要的低壓交流電，具有輸入過、欠壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過熱保護(hù)等多重保護(hù)功能電路，增強(qiáng)了該電源的可靠性和安全性；
·  模擬交流用電設(shè)備諧振，有效精確檢測(cè)并網(wǎng)逆變器防孤島效應(yīng)保護(hù)功能；
·  檢測(cè)各種情況下交流逆變器的工作效率、輸出功率及帶載能力；
·  模擬各類工作環(huán)境，檢測(cè)逆變器在各種環(huán)境下的工作性能狀況；
·  整機(jī)采用電子電路控制，具有溫度過熱自動(dòng)斷開保護(hù)功能。
·  準(zhǔn)同期自動(dòng)并網(wǎng)功能。
2、單元系統(tǒng)參數(shù)：
·  額定輸出電壓：220V±10%、50Hz±1Hz、/三相220V±10%、50Hz±1Hz；
·  額定功率：1KVA；
·  輸出功率因數(shù)：≥0.80（感性負(fù)載、容性負(fù)載）；
·  逆變效率：≥80%；
·  電壓調(diào)整率：線性負(fù)載≤3%，非線性負(fù)載≤5%。
3、單元系統(tǒng)主要測(cè)試點(diǎn)：
·  開關(guān)管柵極漏極波形；              ·  蓄電池欠電壓測(cè)量；
·  蓄電池保護(hù)點(diǎn)測(cè)量；                ·  升壓變壓器次級(jí)整流電壓；
·  單片機(jī)工作電壓的測(cè)量；            ·  單片機(jī)SPWM驅(qū)動(dòng)腳波形測(cè)量；
·  全橋驅(qū)動(dòng)器輸出波形測(cè)量；          ·  母線電壓輸出波形（有效值、峰值）測(cè)量；
·  母線電壓輸出頻率測(cè)量；            ·  母線前饋電壓電流采集測(cè)量。
4、單元系統(tǒng)主要實(shí)驗(yàn)：
·  逆變?cè)韺?shí)驗(yàn)（結(jié)合試驗(yàn)箱上電路原理圖、測(cè)試點(diǎn)、顯示儀表和原理）
·  逆變過載保護(hù)實(shí)驗(yàn)（結(jié)合試驗(yàn)箱上電路原理圖、測(cè)試點(diǎn)、顯示儀表和原理）
·  逆變器與市電互補(bǔ)實(shí)驗(yàn)（結(jié)合試驗(yàn)箱上電路原理圖、測(cè)試點(diǎn)、顯示儀表和原理）
·逆變器欠過壓等保護(hù)實(shí)驗(yàn)（結(jié)合試驗(yàn)箱上電路原理圖、測(cè)試點(diǎn)、顯示儀表和原理）