正交铁芯型DC-AC变换器的特性及在光伏电力系统中的应用

 1引言

    我们用方波逆变器和正交铁芯构成DC-AC变换器。这种DC-AC变换器用来把直流电源连接到交流电力网中，因为这种变换器具有许多优点：传输电能容易控制在DC电源和交流电网之间有极好的绝缘隔离。

    在本文中，介绍正交铁芯型DC-AC变换器在光伏电力系统中的应用。在光伏电力系统中，用正交铁芯型DC-AC变换器把太阳能电池组连接到交流单相配电系统中。为了有效地利用随着太阳照射强度变化所产生的光伏电能，该电力系统中有一个简单的控制电路，按照太阳的照射强度把太阳电池能经过调节，传输到交流电网里。光伏电力系统的基本工作，在作了简单的假设条件后，进行说明。在本实验系统中获得了良好的工作特性，即使当太阳照射强度变得不规则，并且有强烈变化时，该系统仍工作良好。

    这里所介绍的光伏电力系统是用作家庭电力系统，因为它结构简单，可靠性高，并且容易维护。

    2正交铁芯型DC-AC变换器

    图1(a)是正交铁芯型的一种结构图。把硅钢片叠片铁芯和C型铁芯在空向上正交装配。初级绕组由绕组1-1’和2-2’组成。绕组1-1’ 和2-2’可以串联或并联。次级绕组是由绕组3-3’和4-4’组成，绕组3-3’和4-4’可以串联或并联。图1(b)是正交变压器的电路；

    图中的绕组是按并联连接的：

    表1铁芯尺寸和绕组匝数

    铁芯A=b=g=35，c=43；d=e=105，h=85mm

    材料：硅钢；重量：14.4kg

    绕组N1=171匝；N2=102匝

    在图1中，符号X表明是正交铁芯，N1和N2表示初级和次级绕组。

    在试验中所用太阳能电池组的额定输出功率是1.2kW(132V，9.08A)，这是在太阳照射强度为100mw/cm2，下设定的。

    表1是本系统中正交铁芯上绕组的匝数和铁芯尺寸。铁芯材料是0.35mm厚的硅钢。

    图2是采用该正交铁芯DC-AC变换器的电路图。初级绕组N1连接到方波逆变器上，而次级绕组N2连接到交流配电网上。在电路中，Ed是 DC电源电压，e1是该逆变器输出的方波电压，e2是送到AC电网的电压，通过改变e1的相位角，电力就可以从DC电源传输到AC电网上。

    令e1超前e2的相角为θ，如图3所示，图4为典型的输出功率同相角的关系曲线。DC电压Ed和电网电压E2保持不变。在图4中，Pa是DC功率，Pi是初级功率，Po是输出功率，γ是效率，由下式计算；

    γ=100(Po/Pa)(1)

    从图4可看出；从DC电源传输到AC电网上的功率很容易从零调到最大，这是通过改变相角从90°变到大约135°来实现的。  从太阳电池组可得到的功率是随着太阳照射强度在变化，正因为这样，为了有效地利用所产生的电池组功率，就必须相应于太阳的照射强度来调节从电池组传输的功率。

    图5是采用该正交铁芯型DC-AC变换器的光伏电力系统的基本结构图。在该图中，由相角控制电路检测出DC电压和电流，并调节逆变器输出电压e1的相角。rs是为检测该DC电流的分流电阻。然后，从电池组传输到交流电网的功率，就可相应于检测出的DC电压Ed和电流Id通过相角控制电路来进行调节。

    图6是该相位控制电路。Ed是dc电压，rsId是直流电流的信号电压，Rv及Ri是光敏电阻cds的电阻，由于cds的光导效应，当Ed 和Id增加时，可能使Rv及Ri分别减少。因此，该逆变器输出电压e1的相位角θ(θ与图6中的e’2同相)就增加，这是因为Rv、Ri、R1及R2的组合电阻减少了。在采用适当的固定值R1和R2的情况下，相角变化范围依照Ed和Id的相关值，在90°和大约135°之间。

    现在，我们来研究控制系统的基本工作(在作了简单的假设条件下)：

    图7是该太阳电池组工作的定性说明，这里假定，对于给定的dc电压值，相角θ随着dc电流作线性变化。在图7中第IV象限是对于不同的dc电压定值，相角随着dc电流变化的情况。这里垂直角Λθ表示相角是从90°增加。即就是：

    Λθ=θ-90°(2)

    象限I，表示对于两种不同的太阳照射强度，太阳电池组的输出特性。实线(a)所表示的比虚线(b)表示的太阳照射强度高。

    象限II表示电池组与电压之间的关系，实线(c)对应于曲线(a)，而虚线(d)对应曲线(b)。

    在正交铁芯型DC-AC变换器里，变换功率最大值依赖于dc输入和ac电网电压两个因素。当ac电网电压为恒定值时，并且变换器中的各种损耗都略去不计时，对于不同的dc电压设定值，输入dc功率同相位角之间的关系可以用象限III中的曲线表示。

    当dc电压值是Ed1(Ed1就是象限I中P1点的坐标值)时，相角同dc电流的关系用直线L1来表示，而功率同相角的关系用曲线OA表示。如果，电池组的输出特性由曲线(a)给出，相角就由坐标OQ1给出。并且SQ1表示输入dc功率。然后，工作点U1(在象限II内)就表示当电池组电压是Ed1时DC-AC变换器的DC输入功率。

    用同样的方式，当电池组电压是Edo时，可获得工作点Vo，当电池组电压是Ed2时，可获得工作点U2。当然，因为电池组功率同DC-AC变换器在那个工作点上的输入功率一致，该工作点就由交点Ua给出。

    当太阳照射强度降低时，电池组的输出特性就由曲线(b)表示。其工作点可用象(Ua)一样的方式来获得，用虚线(d)表示的工作点Ub，就表示这时太阳照射强度的工作点。这意味着工作点相应于太阳照射强度在改变。如果，输入的dc功率超过了，当时太阳照射强度所提供的最大的电池组功率，则因为该电池组电压和相位角剧烈地减少，输入dc功率也会减少。由于有反馈工作环节，所传输的功率就能够进行控制，以便依照太阳照射强度来跟踪最大的电池组功率。

    3光伏电力系统的工作

    基于上述的研究，我们试装了一台为单相AC电网配电的光伏电力系统。图8为该试验型光伏电力系统的电路方框图。

    因为该变换器实际上有损耗，当太阳照射强度太弱时电池组就不能传输功率给电网。为此，当太阳照射强度低于设定值——大约是太阳照射最大强度的10%时，就通过两个断路器CB1和CB2把电池组及AC电网两者同该DC-AC变换器隔离开。

    图9为该试验系统的控制特性。在图中，坐标Ee是太阳水平照射强度，Pd是dc功率，Po是输出功率，Ed是直流电压，E2是电网电压，而θ是相位角。从图中可看出：相角和功率是按照太阳的照射强度来控制的。

    图10是该系统在晴朗天气时的工作特性。系统从早晨6：55开始到下午15：20停止。从图中看出；当太阳照射强度升到高于100mW/cm2时，系统就自动开始工作。并且维护很容易，在该试验系统中获得了良好的运行曲线。

    图11是在太阳照射强度发生不规则变化(有云天气)时，所测得的特性。从图看出，相对应于太阳照射强度的。