本實(shí)用新型屬于光伏發(fā)電領(lǐng)域，尤其涉及一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置。

背景技術(shù)：

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，是利用光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC、96VDC、192VDC，為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用太陽能光伏逆變器(DC-AC逆變器)，其功能包含兩大主要部分：一是確保太陽能微型逆變器模塊工作于最大功率點(diǎn)。二是將正弦電流注入電網(wǎng)。

傳統(tǒng)的光伏逆變器運(yùn)用的是DSP光伏逆變方案，在頻相跟蹤、波形失真度、變換效率等方面性能較低，數(shù)字部分的邏輯負(fù)擔(dān)過重。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，因此要求逆變器輸出高保真的正弦波電流。此外，傳統(tǒng)逆變方案在實(shí)現(xiàn)DC-AC逆變、過流自恢復(fù)保護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)電路中器件繁多，成本較高，因此設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)簡潔、實(shí)用性更強(qiáng)、轉(zhuǎn)換效率高、失真度低的光伏并網(wǎng)發(fā)電逆變器模擬裝置具有重大的實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置，旨在實(shí)現(xiàn)更小的失真度、更大的轉(zhuǎn)換效率，以更小的開銷實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤、頻率跟蹤、過流保護(hù)等功能。

本實(shí)用新型技術(shù)方案如下：

一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置，包括：DC-AC逆變回路模塊、過流保護(hù)模塊、開關(guān)控制模塊，所述DC-AC逆變回路模塊輸入端接光伏陣列輸出信號Ud，所述DC-AC逆變回路模塊的輸出端為輸出信號，所述過流保護(hù)模塊連接于DC-AC逆變回路模塊，所述開關(guān)控制模塊輸入端連接參考正弦信號Uref和光伏陣列輸出信號Ud，所述開關(guān)控制模塊輸出端連接于DC-AC逆變回路模塊和過流保護(hù)模塊。

進(jìn)一步根據(jù)本實(shí)用新型所述的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置，所述開關(guān)控制模塊包括鎖相環(huán)和單片機(jī)，所述鎖相環(huán)輸入端連接參考正弦信號Uref，鎖相環(huán)輸出端連接于單片機(jī)輸入端，單片機(jī)輸入端連接光伏陣列輸出信號Ud，單片機(jī)輸出端作為開關(guān)控制模塊輸出信號；所述鎖相環(huán)為型號CD4046的鎖相環(huán)，采用16腳雙列直插式，利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖夹盘柕谋额l和同步，輸入頻率為45-55Hz的參考正弦信號，經(jīng)過256倍頻后為11.52KHz-14.08KHz信號，送給單片機(jī)作為系統(tǒng)同步的時(shí)鐘；所述單片機(jī)為型號MPS430F169的單片機(jī)，有兩路D/A、八路A/D，可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)電壓電流采集，電壓采樣信號與電流采樣信號輸入到單片機(jī)中，由此計(jì)算實(shí)時(shí)功率后根據(jù)MPPT算法自動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，單片機(jī)接收到鎖相環(huán)發(fā)來的時(shí)鐘信號，用DDS原理產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號，此時(shí)鐘作為D/A輸出的時(shí)鐘，可追蹤輸入信號的相位和頻率。

進(jìn)一步根據(jù)本實(shí)用新型所述的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置，所述DC-AC逆變回路模塊包括一個(gè)型號LM393的比較器U1A，一個(gè)型號IR21094的浮柵驅(qū)動器U2，兩個(gè)型號IRF540的功率NMOS管Q1、Q2，一個(gè)濾波器，一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)；所述LM393比較器U1A的引腳1(輸出端口)通過負(fù)載R5加+5V電壓，引腳2(負(fù)極輸入端口)通過電阻R2接地，引腳3(正極輸入端口)接參考正弦信號，并通過電阻R1接地，引腳4接地，引腳8接+5V電壓，并通過電容C1旁路接地，所述LM393比較器U1A的其他引腳接地；所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳1(VCC端口)接+12V電壓，并通過電解電容C3旁路接地，引腳2(IN端口)連接于所述LM393比較器U1A的引腳1，引腳3(端口)接過流保護(hù)模塊中IN5819二極管D4的正極，引腳4(DT端口)與引腳5(VSS端口)相連并接地，引腳6(COM端口)作輸出端低電平，連接電解電容C5的負(fù)極，電解電容C5的正極連接+12V電壓，引腳7(LO端口)通過電阻R7連接到IRF540功率NMOS管Q2柵極，引腳11(VS1端口)連接于所述濾波器中電感L1，引腳12(HO1端口)通過電阻R6連接到IRF540功率NMOS管Q1柵極，引腳13(VB端口)連接FR107二極管D1負(fù)極，并與引腳11之間串聯(lián)電解電容C4，F(xiàn)R107二極管D1正極接+12V電壓；所述IRF540功率NMOS管Q1漏極接功率電壓HVDC，所述IRF540功率NMOS管Q1源極接所述IRF540功率NMOS管Q2漏極，并連接于所述濾波器中電感L1，所述IRF540功率NMOS管Q2源極作輸出端低電平；所述濾波器由電感L1和電容C6組成，L1連接于輸出端高電平，電容C6兩端分別連接于輸出端高電平、低電平；所述反饋網(wǎng)絡(luò)由電容C2串聯(lián)可調(diào)電阻R3之后與電阻R4并聯(lián)構(gòu)成，輸出端高電平通過所述反饋網(wǎng)絡(luò)連接于LM393比較器U1A的引腳2。

進(jìn)一步根據(jù)本實(shí)用新型所述的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能光伏逆變器模擬裝置，所述過流保護(hù)模塊包括一個(gè)型號LM358的雙運(yùn)算放大器(其中兩個(gè)放大器分別記為U7A、U7B)，一個(gè)型號IN5819的二極管D4和若干電容、電阻；所述LM358雙運(yùn)算放大器的引腳1、引腳2、引腳3構(gòu)成放大器U7A，引腳5、引腳6、引腳7構(gòu)成放大器U7B，引腳4接地，引腳8接+5V電壓并通過電容C5旁路接地；所述放大器U7A輸出端口(引腳1)連接于所述IN5819二極管D4負(fù)極，正極輸入端口(引腳3)通過變阻器R31和負(fù)載電阻R32連接+5V電壓，并通過電容C34旁路接地，正極輸入端口(引腳5)連接負(fù)載電阻R37和R38后接地，并通過電容C37旁路接地，所述放大器U7B負(fù)極輸入端口(引腳6)通過電阻R34接地，輸出端口(引腳7)連接于所述放大器U7A的負(fù)極輸入端口(引腳2)，負(fù)極輸入端口(引腳6)和輸出端口(引腳7)之間連接由電阻R33和電容C58并聯(lián)組成的回路；所述IN5819二極管D4正極接DC-AC逆變回路模塊中IR21094浮柵驅(qū)動器引腳3(端口)，并通過電阻R23連接+5V電壓，通過電解電容C321接地，所述IN5819二極管D4負(fù)極通過電阻R27連接二極管D5負(fù)極，二極管D5正極連接+5V電壓，所述IN5819二極管D4負(fù)極通過電阻R24串聯(lián)電阻R30后接地，電阻R24和電阻R30之間接單片機(jī)控制信號MCU_SD。

本實(shí)用新型與現(xiàn)在技術(shù)相比，其有益效果在于：

1.本實(shí)用新型包括頻率相位跟蹤、DC-AC逆變、過流自恢復(fù)保護(hù)、最大功率點(diǎn)跟蹤等功能。

2.本實(shí)用新型DC-AC逆變方案采用D類功放中自振蕩式模型的逆變拓?fù)洌梅答伒母哳l自激產(chǎn)生所需的SPWM開關(guān)信號，此方案為閉環(huán)系統(tǒng)，在功率和負(fù)載變化時(shí)波形基本無失真。

3.本實(shí)用新型利用鎖相環(huán)的鎖頻鎖相功能，將參考信號倍頻，產(chǎn)生與其同步的時(shí)鐘，以此時(shí)鐘調(diào)整輸入與輸出的頻相關(guān)系，完全由硬件電路實(shí)現(xiàn)，簡單方便。

4.采用經(jīng)典MPPT算法，對光伏陣列輸出電壓電流連續(xù)采樣，尋找最大功率點(diǎn)，控制方法簡單，開銷較小。

5.實(shí)際制作中，選用CD4046鎖相環(huán)芯片，功率MOS管IRF540等性價(jià)比較高的器件，對比傳統(tǒng)的DSP光伏逆變方案，更加經(jīng)濟(jì)簡潔，實(shí)用性更強(qiáng)。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的原理結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型的DC-AC逆變回路模塊電路圖；

圖3為本實(shí)用新型的過流保護(hù)模塊電路圖。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

如圖1所示，本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)包括三個(gè)模塊：DC-AC逆變回路模塊、過流保護(hù)模塊、開關(guān)控制模塊。

所述DC-AC逆變回路模塊輸入端接光伏陣列輸出信號Ud，所述DC-AC逆變回路模塊的輸出端為輸出信號。所述過流保護(hù)模塊連接于DC-AC逆變回路模塊，所述開關(guān)控制模塊輸入端連接參考正弦信號Uref和光伏陣列輸出信號Ud，所述開關(guān)控制模塊輸出端連接于DC-AC逆變回路模塊和過流保護(hù)模塊。

其中所述開關(guān)控制模塊包括鎖相環(huán)和單片機(jī)。所述鎖相環(huán)輸入端連接參考正弦信號Uref，鎖相環(huán)輸出端連接于單片機(jī)輸入端，單片機(jī)輸入端連接光伏陣列輸出信號Ud，單片機(jī)輸出端作為開關(guān)控制模塊輸出信號。

如圖2所示，所述DC-AC逆變回路模塊包括一個(gè)型號LM393的比較器U1A，一個(gè)型號IR21094的浮柵驅(qū)動器U2，兩個(gè)型號IRF540的功率NMOS管Q1、Q2，一個(gè)濾波器，一個(gè)反饋網(wǎng)絡(luò)。

所述LM393比較器U1A的引腳1(輸出端口)通過負(fù)載R5加+5V電壓；

所述LM393比較器U1A的引腳2(負(fù)極輸入端口)通過電阻R2接地；

所述LM393比較器U1A的引腳3(正極輸入端口)接參考正弦信號，并通過電阻R1接地；

所述LM393比較器U1A的引腳4接地；

所述LM393比較器U1A的引腳8接+5V電壓，并通過電容C1旁路接地；

所述LM393比較器U1A的其他引腳接地；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳1(VCC端口)接+12V電壓，并通過電解電容C3旁路接地；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳2(IN端口)連接于所述LM393比較器U1A的引腳1；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳3(端口)接過流保護(hù)模塊(圖3)中IN5819二極管D4的正極；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳4(DT端口)與引腳5(VSS端口)相連并接地；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳6(COM端口)作輸出端低電平，連接電解電容C5的負(fù)極，電解電容C5的正極連接+12V電壓；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳7(LO端口)通過電阻R7連接到IRF540功率NMOS管Q2柵極；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳11(VS1端口)連接于所述濾波器中電感L1；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳12(HO1端口)通過電阻R6連接到IRF540功率NMOS管Q1柵極；

所述IR21094浮柵驅(qū)動器U2的引腳13(VB端口)連接FR107二極管D1負(fù)極，并與引腳11之間串聯(lián)電解電容C4，F(xiàn)R107二極管D1正極接+12V電壓；

所述IRF540功率NMOS管Q1漏極接功率電壓HVDC；

所述IRF540功率NMOS管Q1源極接所述IRF540功率NMOS管Q2漏極，并連接于所述濾波器中電感L1；

所述IRF540功率NMOS管Q2源極作輸出端低電平；

所述濾波器由電感L1和電容C6組成，L1連接于輸出端高電平，電容C6兩端分別連接于輸出端高電平、低電平；

所述反饋網(wǎng)絡(luò)由電容C2串聯(lián)可調(diào)電阻R3之后與電阻R4并聯(lián)構(gòu)成，輸出端高電平通過所述反饋網(wǎng)絡(luò)連接于LM393比較器U1A的引腳2。

如圖3所示，所述過流保護(hù)模塊包括一個(gè)型號LM358的雙運(yùn)算放大器(其中兩個(gè)放大器分別記為U7A、U7B)，一個(gè)型號IN5819的二極管D4和若干電容、電阻。

所述LM358雙運(yùn)算放大器的引腳1、引腳2、引腳3構(gòu)成放大器U7A；

所述LM358雙運(yùn)算放大器的引腳5、引腳6、引腳7構(gòu)成放大器U7B；

所述LM358雙運(yùn)算放大器的引腳4接地；

所述LM358雙運(yùn)算放大器的引腳8接+5V電壓并通過電容C5旁路接地；

所述放大器U7A輸出端口(引腳1)連接于所述IN5819二極管D4負(fù)極；

所述放大器U7A正極輸入端口(引腳3)通過變阻器R31和負(fù)載電阻R32連接+5V電壓，并通過電容C34旁路接地；

所述放大器U7B正極輸入端口(引腳5)連接負(fù)載電阻R37和R38后接地，并通過電容C37旁路接地；

所述放大器U7B負(fù)極輸入端口(引腳6)通過電阻R34接地；

所述放大器U7B輸出端口(引腳7)連接于所述放大器U7A的負(fù)極輸入端口(引腳2)；

所述放大器U7B的負(fù)極輸入端口(引腳6)和輸出端口(引腳7)之間連接由電阻R33和電容C58并聯(lián)組成的回路；

所述IN5819二極管D4正極接DC-AC逆變回路模塊(圖2)中IR21094浮柵驅(qū)動器引腳3(端口)，并通過電阻R23連接+5V電壓，通過電解電容C321接地；

所述IN5819二極管D4負(fù)極通過電阻R27連接二極管D5負(fù)極，二極管D5正極連接+5V電壓；

所述IN5819二極管D4負(fù)極通過電阻R24串聯(lián)電阻R30后接地，電阻R24和電阻R30之間接單片機(jī)控制信號MCU_SD；

所述鎖相環(huán)為型號CD4046的鎖相環(huán)，采用16腳雙列直插式，利用鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入?yún)⒖夹盘柕谋额l和同步，輸入頻率為45-55Hz的參考正弦信號，經(jīng)過256倍頻后為11.52KHz-14.08KHz信號，送給單片機(jī)作為系統(tǒng)同步的時(shí)鐘。

所述單片機(jī)為型號MPS430F169的單片機(jī)，有兩路D/A、八路A/D，可以連續(xù)實(shí)現(xiàn)電壓電流采集，電壓采樣信號與電流采樣信號輸入到單片機(jī)中，由此計(jì)算實(shí)時(shí)功率后根據(jù)MPPT算法自動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。單片機(jī)接收到鎖相環(huán)發(fā)來的時(shí)鐘信號，用DDS原理產(chǎn)生幅度可調(diào)的正弦信號，此時(shí)鐘作為D/A輸出的時(shí)鐘，可追蹤輸入信號的相位和頻率。

光伏陣列輸出信號與單片機(jī)時(shí)鐘信號輸入到DC-AC逆變回路模塊中，DC-AC逆變回路采用D類功放中自振蕩式模型的逆變拓?fù)?，把升壓后的直流電壓等價(jià)地轉(zhuǎn)換成對應(yīng)頻率的交流電壓，利用負(fù)反饋的高頻自激產(chǎn)生所需的SPWM開關(guān)信號通過浮柵驅(qū)動器驅(qū)動MOS管板橋，使靠近正弦波兩端的電壓寬度變狹，正弦波中央的電壓寬度變寬，并在半周期內(nèi)始終讓開關(guān)元件按一定頻率朝一個(gè)方向動作，這樣形成一個(gè)脈沖波列(擬正弦波)。然后讓脈沖波通過簡單的濾波器形成正弦波即為輸出信號。

DC-AC逆變回路模塊輸出電流I在采樣電阻R38上產(chǎn)生的電壓經(jīng)過LM358雙運(yùn)算放大器放大10倍后與參考電壓相比較，超過則運(yùn)放引腳1輸出低電平，電容C31經(jīng)過IN5819二極管D4迅速放電，#SD信號被拉低，IR21094浮柵驅(qū)動器輸出關(guān)閉，之后I變小，運(yùn)放引腳1輸出高電平，+5V通過電阻R23對電容C31充電，一段時(shí)間后達(dá)到IR21094浮柵驅(qū)動器的高電平門限時(shí)，再次打開IRF540功率管。實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)以及自恢復(fù)功能。

綜上，所述三個(gè)模塊，利用鎖相環(huán)倍頻、比較器過零觸發(fā)和單片機(jī)DA產(chǎn)生與輸入信號同頻同相且幅值可控的正弦波，作為DC-AC電路的輸入?yún)⒖夹盘?，其中DC-AC電路采用D類功放中自激反饋模型，利用負(fù)反饋的自激振蕩產(chǎn)生SPWM波，實(shí)現(xiàn)了輸出波形的內(nèi)環(huán)控制，單片機(jī)實(shí)時(shí)采集入口電壓電流并計(jì)算，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

以上僅是對本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了描述，并不將本實(shí)用新型的技術(shù)方案限制于此，本領(lǐng)域人員在本實(shí)用新型的主要技術(shù)構(gòu)思的基礎(chǔ)上所作的任何公知變形都屬于本實(shí)用新型所要保護(hù)的技術(shù)范疇，本實(shí)用新型具體的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書的記載為準(zhǔn)。