一、概述

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

我公司在現(xiàn)有太陽能實驗臺基礎上又推出此款逆變電源實驗臺，主要將太陽能離并網(wǎng)逆變器的工作原理以教學的形式展示在實驗臺上，其即是應用產品又是教學演示裝置，學生通過對此設備的了解，基本上掌握逆變器的原理與應用。

二、原理圖

1、并網(wǎng)電源

2、獨立逆變器

三、太陽能并網(wǎng)逆變器原理及特點

TRM-JX8型太陽能逆變電源教學實驗臺是由專業(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)的產品優(yōu)勢具有以下幾點：
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)字信號處理。此產品具有逆變部分采用開關速度快、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、低電壓保護動作快，抗干擾能力強，穩(wěn)壓精度高等特性。
3、系統(tǒng)具有輸出短路保護功能。采用輸出回路檢測保護和模塊飽和壓降檢測雙重保護，從而大大提高短路保護的可靠性。并且若逆變器檢測連續(xù)5次短路，將停止工作，直到手動開啟。
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行狀態(tài)，可實現(xiàn)光伏電池電壓、頻率、市電電壓、頻率等參數(shù)通過 顯示屏實時顯示。
6、有各種報警功能，比如有市電停電報警，光伏電池欠壓報警等等。
7、單機逆變器由IGBT逆變支路、逆變器輸出變壓器、逆變器濾波電感和電容、逆變器的驅動、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全橋、變壓器回路、濾波回路、消尖峰回路和熱溫度開關五部分。
①逆變全橋
  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)字脈寬調制(DSPWM)信號。逆變全橋由二個IGBT組成。每個功率模塊包含二個功率單元，四個單橋組成全橋逆變電路。逆變驅動板包含一個開關電源，給主回路和驅動電路提供電源。
②變壓器回路
  變壓器是逆變器的關鍵器件，對交流的性能有重要的影響，所以變壓器需特殊設計，由于逆變全橋回路是SPWM信號，所以含有直流分量，而工頻變壓器是按照基波50Hz正弦波設計，SPWM調制波工作時，就會發(fā)生變壓器磁飽和，從而引起橋路過流或損壞，所以要在制作時在變壓器設計中加大其漏感量，使鐵芯之間有一個很小的氣隙。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，經過LC濾波后成為標準正弦波，從效果分析，LC常數(shù)越大，正弦波就越好，但是帶來了動態(tài)性能變差的問題，我們在變壓器原邊加LC濾波以便降低變壓器直流分量和溫升，三角接法是因為逆變器不能控制零序分量的問題，在變壓器輸出端接入交流電容，為了進一步濾掉高次諧波，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)一個小電感。當晶體管中電流關斷時，這個漏感使得在集電極電壓波形的正跳變沿上產生一個突增的尖峰，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能每半周中在晶體管集電極上損耗使集電極瞬時擊穿現(xiàn)象，就必須增加消尖峰電路。如下圖所示的電路在開關管關斷的瞬間，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，同時將電流下降和電壓上升的時間交錯開，避免出現(xiàn)較大的瞬間開關損耗，圖中的電阻R用來在開關接通的瞬間，將電容C上電荷迅速放掉，并防止開關管集電極電流的過分增加，二極管V在開關管關斷時，將電阻R短路，提高電容C的電荷迅速放掉，并防止開關管集電極電流的過分增加，二極管V在開關管開斷時將電阻R短路，提高電容C的電壓吸收效果。
⑤熱溫度開關
  溫度開關是為消除功率管過熱而設置的。該開關置于功率管模塊散熱器上，一旦功率管過熱時，功率管驅動信號被封鎖，逆變器停止輸出。當溫度降到一定值時，逆變器可重新恢復工作。
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，其構成的實時控制系統(tǒng)具有很高的穩(wěn)定性，其特點如下：
①電壓調整和鎖相作用
  逆變器電壓調整是采用快調和慢調兩種方法，快調是控制芯片根據(jù)微處理傳來的數(shù)據(jù)，依照本身的初始化命令將產生正相SPWM信號，經驅動幀測電路產生三相正弦波。慢調是CPU采樣到電壓的變化率及頻率的變化運算比較后，向控制芯片傳送新的數(shù)據(jù)，來改寫的調整電壓，以達到輸出電壓的穩(wěn)定性。為了保證逆變器在任意時刻都能同步并網(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)頻率和相位進一步運算比較而調整逆變器的頻率和相位，我們的最小調整步距為0.02Hz所以實際輸出頻率為50Hz0．02Hz這一調整過程不會影響基準頻率。
②邏輯狀態(tài)的幀測
a．內部處理總線的輸入：
·直流電壓OK
·允許逆變
·同步調整命令
·鎖相跟蹤
b．邏輯狀態(tài)信號輸入
·控制電源正常
·時鐘正常
·輔助電源正常
·模塊溫度正常
·設有逆變器的“停止”命令
·用軟件停機
·操作面板停機
·控制器停機
③  直接控制器（DDC）的工作原理
a.接收并存儲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現(xiàn)。在工作之前，首先進行初始化，即從CPU向寄存器輸入控制字，進行系統(tǒng)參數(shù)設置。
b.從內部ROM中讀取及產生SPWM調制波形部分，它由地址發(fā)生波形ROM及控制邏輯構成。由于調制波形關于90。，180。，270。對稱，所以ROM中存有0~90。的波形瞬時值，由地址發(fā)生器的信號直接從波形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電路構成。脈沖取消電路用來將脈沖寬度小于取消的脈沖去掉。延時電路保證死區(qū)間隔。
d.純正弦波的數(shù)學模型 X（t）=A ( sin (ωt ) )。

（二）太陽能逆變系統(tǒng)的教學及演示電路裝置
    由我公司生產TRM-JX8型太陽能逆變電源教學實驗臺中的逆變器系統(tǒng)是采用單片機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，以滿足高校教學演示和電子實驗測試的需求。該電源采用推挽升壓和全橋逆變兩級變換，前后級之間完全隔離，采用單片機數(shù)字化SPWM控制方式，采樣直流母線電壓做電壓前饋控制，同時采樣電流做反饋控制。在保護上，具有輸入過、欠壓保護，輸出過載、短路保護，過熱保護等多重保護功能電路，增強了該電源的可靠性和安全性。太陽能并網(wǎng)逆變系統(tǒng)由多個穩(wěn)定可靠的單元系統(tǒng)并網(wǎng)組成，試驗單元滿足并網(wǎng)逆變器的防孤島保護功能試驗、過載保護功能試驗、過流保護試驗、直流分量試驗、逆變器功率測定試驗、并網(wǎng)電流諧波試驗，電網(wǎng)故障是并網(wǎng)逆變器工作性能檢測。
1、單元系統(tǒng)功能：
·  將太陽電池組件產生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載需要的低壓交流電，具有輸入過、欠壓保護，輸出過載、短路保護，過熱保護等多重保護功能電路，增強了該電源的可靠性和安全性。
·  模擬交流用電設備諧振，有效精確檢測并網(wǎng)逆變器防孤島效應保護功能；
·  檢測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，檢測逆變器在各種環(huán)境下的工作性能狀況；
·  整機采用電子電路控制，具有溫度過熱自動斷開保護功能。
·  準同期自動并網(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（感性負載、容性負載）；
·  逆變效率：≥80%；
·  電壓調整率：線性負載≤3%，非線性負載≤5%。
3、系統(tǒng)單元主要測試點包括開關管柵極漏極波形、蓄電池欠電壓測量、蓄電池保護點測量、升壓變壓器次級整流電壓、 單片機工作電壓的測量、單片機SPWM驅動腳波形測量、全橋驅動器輸出波形測量、母線電壓輸出波形（有效值、峰值）測量、母線電壓輸出頻率測量、母線前饋電壓電流采集測量十項。
4、結合試驗箱上電路原理圖、測試點、顯示儀表和原理單元系統(tǒng)主要完成的實驗包括逆變原理實驗；逆變過載保護實驗；逆變器與市電互補實驗；逆變器欠過壓等保護實驗。

（三）大規(guī)模光伏/風能并網(wǎng)發(fā)電是充分利用太陽能/風能的一種有效方式，在并網(wǎng)發(fā)電的應用中，要防止  孤島效應，通過防止孤島效應以保證PV系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
     試驗單元滿足并網(wǎng)逆變器的防孤島保護功能試驗、過載保護功能試驗、過流保護試驗、直流分量試驗、逆變器功率測定試驗、并網(wǎng)電流諧波試驗，電網(wǎng)故障，是并網(wǎng)逆變器工作性能檢測必不可少的檢測工具。
1、單元系統(tǒng)功能：
·  將太陽電池組件產生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載需要的低壓交流電，具有輸入過、欠壓保護，輸出過載、短路保護，過熱保護等多重保護功能電路，增強了該電源的可靠性和安全性；
·  模擬交流用電設備諧振，有效精確檢測并網(wǎng)逆變器防孤島效應保護功能；
·  檢測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，檢測逆變器在各種環(huán)境下的工作性能狀況；
·  整機采用電子電路控制，具有溫度過熱自動斷開保護功能。
·  準同期自動并網(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（感性負載、容性負載）；
·  逆變效率：≥80%；
·  電壓調整率：線性負載≤3%，非線性負載≤5%。
3、單元系統(tǒng)主要測試點：
·  開關管柵極漏極波形；              ·  蓄電池欠電壓測量；
·  蓄電池保護點測量；                ·  升壓變壓器次級整流電壓；
·  單片機工作電壓的測量；            ·  單片機SPWM驅動腳波形測量；
·  全橋驅動器輸出波形測量；          ·  母線電壓輸出波形（有效值、峰值）測量；
·  母線電壓輸出頻率測量；            ·  母線前饋電壓電流采集測量。
4、單元系統(tǒng)主要實驗：
·  逆變原理實驗（結合試驗箱上電路原理圖、測試點、顯示儀表和原理）
·  逆變過載保護實驗（結合試驗箱上電路原理圖、測試點、顯示儀表和原理）
·  逆變器與市電互補實驗（結合試驗箱上電路原理圖、測試點、顯示儀表和原理）
·逆變器欠過壓等保護實驗（結合試驗箱上電路原理圖、測試點、顯示儀表和原理）