太阳电池光伏发电系统

太阳电池发电系统根据应用不同而有所不同，如图2-12所示，主要包括太阳电池组件、蓄电池、控制器、负载。控制器用于太阳能电池的充放电控制，它能防止对蓄电池的过充、过放电。为了避免在阴雨天和晚上太阳电池不发电时或出现短路故障时，蓄电池组向太阳电池组放电，还需要防反冲二极管，它串联在太阳电池方阵电路中，起到太阳电池—蓄电池单向导通作用，蓄电池组是用来储存太阳电池组件接收太阳光照时发出的电能并向负载供电。逆变器是把太阳电池发出的直流电转换成交流电的一种设备。

图2-12　太阳电池发电系统

根据太阳电池发电系统应用的不同，可分为独立发电系统和并网发电系统。前者是独立的，不和其他发电系统发生任何关系的闭合系统提供电能，如远离电网的地区和设备；后者则和其他并网发电系统一样，将太阳能发电向整个电力系统供电。因此，上述系统中的各个组成部分会有所不同。如直接向直流负载供电，则可省去逆变器。对于联网供电，需要和高压商用电网连接界面，包括联网控制。对于太阳电池发电系统，需要进行发电检测，主要是蓄电池电压和充放电流。检测设备可以集成到控制器上。

1.太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4～100 cm2。太阳能电池单体的工作电压约为0.5 V，工作电流为20～25 m A/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率（图2-13）。

图2-13　太阳能电池单体、组件和方阵

（1）硅太阳能电池单体

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

太阳能电池的工作原理如下：

光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

（2）硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。

一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为13%～15%；

产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为11%～13%；

产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为5%～8%。

（3）太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5 V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。在一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10 cm×10 cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17 V的电压，正好能为一个额定电压为12 V的蓄电池进行有效充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。

这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。

组件的电气特性主要是指电流—电压输出特性，也称为Ⅴ-Ⅰ特性曲线，如图2-14所示。Ⅴ-Ⅰ特性曲线可根据图2-14所示的电路装置进行测量。Ⅴ-Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V＝0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I＝0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P＝VI。

当太阳能电池组件的电压上升时，例如，通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率称为最大功率Pm。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1℃，每片电池的电压减少5 m V，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件如下：

光谱辐照度　1000 W/m2

大气质量系数　AM1.5

太阳电池温度　25℃

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为PW（Peak Watt）。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接收到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。

图2-14　太阳能电池的电流—电压特性曲线

I—电流；Isc—短路电流；Im—最大工作电流；
V—电压；Voc—开路电压；Vm—最大工作电压

如果太阳电池组件被其他物体（如鸟粪、树荫等）长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重的破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1个或2个旁通二极管。

2.光伏电源充放电控制器

（1）控制器的功能

①高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。

②欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。

③低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。

④保护功能：

●防止任何负载短路的电路保护；

●防止充电控制器内部短路的电路保护；

●防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护；

●防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护；

●在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。

⑤温度补偿功能：当蓄电池温度低于25℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。通常铅酸蓄电池的温度补偿系数为每单位－5 m V/℃。

（2）控制器的基本技术参数

①太阳电池输入路数：1～12路。

②最大充电电流。

③最大放电电流。

④控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1%。

⑤通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5%。

⑥输入/输出开关器件：继电器或MOSFET模块。

⑦箱体结构：台式、壁挂式、柜式。

⑧工作温度范围：－15～＋55℃。

⑨环境湿度：90%。

（3）控制器的分类

光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。

①并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如，电压在12 V、20 A以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。

②串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45 A以上的串联控制器。

③脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能延长光伏系统中蓄电池的总循环寿命。

④智能型控制器：采用带CPU的单片机（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM（调制解调器）进行远距离控制。

⑤最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并做出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。

（4）控制器的基本电路和工作原理

①单路并联型充放电控制器（图2-15）

图2-15　单路并联型充放电控制器

并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。

D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。

开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。

D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时，使T1导通进行“过充电保护”；当电压小于“过放电压”时，使T2关断进行“过放电保护”。

②串联型充放电控制器（图2-16）

串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一的区别在于开关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。

其他元件的作用和串联型充放电控制器相同，这里不再赘述。

图2-16　串联型充放电控制器

③检测控制电路的组成（图2-17）与工作原理

图2-17　检测控制电路的组成

检测控制电路包括过压检测控制和欠压检测控制两部分。

检测控制电路是由带回差控制的运算放大器组成。A1为过压检测控制电路，A1的同相输入端由W1提供对应“过压切离”的基准电压，而反相输入端接被测蓄电池，当蓄电池电压大于“过压切离电压”时，A1输出端G1为低电平，关断开关器件T1，切断充电回路，起到过压保护作用。当过压保护后蓄电池电压又下降至小于“过压恢复电压”时，A1的反相输入电位小于同相输入电位，则其输出端G1由低电平跳变至高电平，开关器件T1由关断变导通，重新接通充电回路。“过压切离门限”和“过压恢复门限”由W1和R1配合调整。

A2为欠压检测控制电路，其反相端接由W2提供的欠压基准电压，同相端接蓄电池电压（与过压检测控制电路相反），当蓄电池电压小于“欠压门限电平”时，A2输出端G2为低电平，开关器件T2关断，切断控制器的输出回路，实现“欠压保护”。欠压保护后，随着电池电压的升高，当电压又高于“欠压恢复门限”时，开关器件T2重新导通，恢复对负载供电。“欠压保护门限”和“欠压恢复门限”由W2和R2配合调整。

（5）小型单路充放电控制器产品实例

①功能及特点

太阳能电源自动控制器是控制太阳能电池给蓄电池充电、蓄电池给负载供电的盒式控制器。它采用双路太阳能电池对蓄电池充电，充电电流随蓄电池的充满逐路断开，而随着蓄电池的放电又逐路接通恢复充电。它同时对蓄电池的放电进行切断和恢复使用的控制，这既符合蓄电池的理想充放电特性，又提高了太阳能电池的利用率和充电效率。

此设备具有防反充保护；防负载短路保护；防负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接保护和防雷击保护的功能。

②主要技术指标

系统电压：DC 12 V

太阳能电池额定充电电流：5 A；

蓄电池标称电压：12 V；

蓄电池充满电压：14.8 V；

充满恢复电压：13.5 V；

蓄电池过放电压：10.8 V；

过放恢复电压：13 V；

输出电压：10.8～14.8 V；

额定输出电流：5 A。

③控制器电路工作原理

●蓄电池充满检测及充满恢复电路

A3和A4为控制板充满检测电路，当蓄电池电压高于14.8 V时，经运算放大器电平比较后使U2C-8和U2D-14先后由低电平上跳至高电平，发出蓄电池充满切离信号M和N；经T1—T4驱动电磁继电器J1—J2动作，使继电器J1—J2的常闭接点Z1—Z2断开，切断两路太阳电池方阵对蓄电池的充电回路；直到蓄电池电压低于26.3 V时经运算放大器电平比较后使U2C-8和U2D-14先后由高电平下跳至低电平，发出蓄电池充满恢复信号m和n，接通两路太阳电池充电回路又重新恢复对蓄电池进行充电。

●蓄电池欠压检测及告警电路

U2B为控制板欠压检测电路，当蓄电池电压低于21.5 V时，U2B-7输出由低电平上跳至高电平，发出蓄电池欠压信号L，经T5推动后使LED3发光二极管点亮，发出欠压告警信号，同时继电器J3的常闭接点Z3动作，断开蓄电池到负载的放电回路；直到蓄电池电压高于26.8 V解除欠压告警信号L，LED3熄灭，同时接通继电器J3的常闭接点Z3，恢复负载放电回路的接通。

④安装及操作使用

●用导线将四副连接插头分别与两路太阳电池、蓄电池和负载相连接。注意正极接红线，负极接黑线。

●将四副插头、插座正确连接，顺序为：先接蓄电池，再接太阳电池，最后接负载。

⑤故障排除指导

●当蓄电池电压在正常范围内而控制器没有输出，应检查更换控制器侧面的保险（5 A）。

●当设备遭到雷击时，可打开盒盖，更换电路板上的两只蓝色（或黄色）的压敏电阻。换好后可继续使用。

●如果出现充满指示灯频繁地点亮熄灭，这种情况大多是由于蓄电池出现故障，可换用一块新的蓄电池重新开机。

3.蓄电池组

蓄电池组是光伏电站的储能装置，由它将太阳能电池方阵从太阳辐射能转换来的直流电转换为化学能储存起来，以供负载应用。

光伏电站中与太阳能电池方阵配用的蓄电池组通常是在半浮充电状态下长期工作，它的电能量比用电负荷所需要的电能量要大，因此，多数时间是处于浅放电状态。当冬季和连阴天由于太阳辐射能减少，而出现太阳能电池方阵充电不足的情况时，可启动光伏电站备用电源——柴油发电机组给蓄电池组补充充电，以保持蓄电池组始终处于浅放电状态。固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，是我国光伏电站目前选用的主要储能装置。

太阳能电池发电系统对所用蓄电池组的基本要求是：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。

目前我国与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200 Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护铅酸蓄电池；配套200 Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池。

（1）铅酸蓄电池的结构及工作原理

①铅酸蓄电池的结构

铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容器、电解液及附件等部分组成。极板组是由单片极板组合而成，单片极板又由基极（又称极栅）和活性物质构成。铅酸蓄电池的正负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化铅，负极的活性物质是海绵状纯铅。

极板按其构造和活性物质形成方法分为涂膏式和化成式。涂膏式极板在同容量时比化成式极板体积小、重量轻、制造简便、价格低廉，因而使用普遍；缺点是在充放电时活性物质容易脱落，因而寿命较短。化成式极板的优点是结构坚实，在放电过程中活性物质脱落较少，因此寿命长；缺点是笨重，制造时间长，成本高。隔板位于两极板之间，防止正负极板接触而造成短路。材料有木质、塑料、硬橡胶、玻璃丝等，现大多采用微孔聚氯乙烯塑料。

电解液是用蒸馏水稀释纯浓硫酸而成。其比重视电池的使用方式和极板种类而定，一般在1.200～1.300（25℃）之间（充电后）。

容器通常为玻璃容器、衬铅木槽、硬橡胶槽或塑料槽等。

②铅酸蓄电池的工作原理

蓄电池是通过充电将电能转换为化学能储存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。它是用两个分离的电极浸在电解质中而成的，由还原物质构成的电极为负极，由氧化态物质构成的电极为正极。当外电路接近两极时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性物质就分别被氧化还原了，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。放电之后，若有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。这种可重复使用的电池，称为二次电池或蓄电池。如果电池反应的可逆变性差，那么放电之后就不能再用充电方法使其恢复初始状态，这种电池称为原电池。

电池中的电解质通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。以酸性溶液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。铅酸蓄电池单体的标称电压为2 V。实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。

铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3 V左右。放电终止电压为1.7～1.8 V。若再继续放电，电压急剧下降，将影响电池的寿命。铅酸蓄电池的使用温度范围为－40～＋40℃。铅酸蓄电池的安时效率为85%～90%，瓦时效率为70%，它们随放电率和温度而改变。

凡需要较大功率并有充电设备可以使电池长期循环使用的地方，均可采用蓄电池。铅酸蓄电池价格较廉，原材料易得，但维护手续多，而且能量低。碱性蓄电池，维护容易，寿命较长，结构坚固，不易损坏，但价格昂贵，制造工艺复杂。从技术经济性综合考虑，目前光伏电站应以主要采用铅酸蓄电池作为储能装置为宜。

（2）蓄电池的电压、容量和型号

①蓄电池的电压

蓄电池每单格的标称电压为2 V，实际电压随充放电的情况而变化。充电结束时，电压为2.5～2.7 V，以后慢慢地降至2.05 V左右的稳定状态。

如用蓄电池做电源，开始放电时电压很快降至2 V左右，以后缓慢下降，保持在1.9～2.0 V之间。当放电接近结束时，电压很快降到1.7 V；当电压低于1.7 V时，便不应再放电，否则要损坏极板。停止使用后，蓄电池电压自己能回升到1.98 V。

②蓄电池的容量

铅酸蓄电池的容量是指电池蓄电的能力，通常以充足电后的蓄电池放电至端电压到达规定放电终了电压时电池所放出的总电量来表示。在放电电流为定值时，电池的容量用放电电流和时间的乘积来表示，单位是安培小时，简称安时。

蓄电池的“标称容量”是在蓄电池出厂时规定的该蓄电池在一定的放电电流及一定的电解液温度下单格电池的电压降到规定值时所能提供的电量。

蓄电池的放电电流常用放电时间的长短来表示（即放电速度），称为“放电率”，如30小时率、20小时率、10小时率等。其中以20小时率为正常放电率。所谓20小时放电率，表示用一定的电流放电，20小时可以放出的额定容量。通常额定容量用字母“C”表示。因而C20表示20小时放电率，C30表示30小时放电率。

③蓄电池的型号

铅酸蓄电池的型号由三个部分组成：第一部分表示串联的单体电池个数；第二部分用汉语拼音字母表示的电池类型和特征；第三部分表示20小时率干荷电式（C20）的额定容量。例如，“6-A-60”型蓄电池，表示6个单格（即12 V）的干荷电式铅酸蓄电池，标称容量为60安时。

（3）电解液的配制

电解液的主要成分是蒸馏水和化学纯硫酸。硫酸是一种剧烈的脱水剂，若不小心，溅到身上会严重腐蚀人的衣服和皮肤，因此配制电解液时必须严格按照操作规程进行。

①配制电解液的容器及常用工具

配制电解液的容器必须用耐酸耐高温的瓷、陶或玻璃容器，也可用衬铅的木桶或塑料槽。除此之外，任何金属容器都不能使用。搅拌电解液时只能用塑料棒或玻璃棒，不可用金属棒搅拌。为了准确地测试出电解液的各项数据，还需如下几种专用工具。

●电液比重计

电液比重计是测量电解液浓度的一种仪器。它由橡皮球（1）、玻璃管（2）、密度计（3）和橡皮插头（4）构成，如图2-18所示。

使用电液比重计时，先把橡皮球压扁排出空气，将橡皮管头插入电解液中，慢慢放松橡皮球将电解液吸入玻璃管内。吸入的电解液以能使管内的密度计浮起为准。测量电解液的浓度时，温度计应与电解液面相互垂直，观察者的眼睛与液面平齐，并注意不要使密度计贴在玻璃管壁上；观察读数时，应当略去由于液面张力使表面扭曲而产生的读数误差。

常用带胶球密度计的测量范围在1.100～1.300，准确度可达1‰。

●温度计

一般有水银温度计和酒精温度计两种。区分这两种温度计的方法，是观察温度计底部球状容器内液体的颜色，酒精温度计的颜色是红色，水银温度计的颜色是银白色。由于在使用酒精温度计时一旦温度计破损酒精溶液将对蓄电池板栅有强烈的腐蚀作用，所以一般常用水银温度计来测电解液的温度。

●电瓶电压表（高率放电叉）

电瓶电压表也称高率放电叉，是用来测量蓄电池单格电压的仪表。

当接上高率放电电阻丝时，电瓶电压表可用来测量蓄电池的闭路电压（即工作电压）。卸下高率放电电阻丝，可作为普通电压表使用，用来测量蓄电池的开路电压。

②配制电解液的注意事项

配制电解液必须注意安全，严格按操作规程进行，应注意以下事项：

●要用无色透明的化学纯硫酸，严禁使用含杂质较多的工业用硫酸。

●应用纯净的蒸馏水，严禁使用含有有害杂质的河水、井水和自来水。

●应在清洁耐酸的陶瓷或耐酸的塑料容器中配制，避免使用不耐温的玻璃容器，以免被硫酸和水混合时产生的高温炸裂。

●配制人员一定要做好安全防护工作。要戴胶皮手套，穿胶靴及耐酸工作服，并戴防护镜。若不小心，将电解液溅到身上，要及时用碱水或自来水冲洗。

●配制前按所需电解液的比重先粗略算出蒸馏水与硫酸的比例。配制时必须将硫酸缓慢倒入水中，并用玻璃棒搅动，千万不能用铁棒和任何金属棒搅拌，千万不要将水倒入硫酸中，以免强烈的化学反应飞溅伤人。

●新配制的电解液温度高，不能马上灌注电池，必须待稳定降至30℃时倒入蓄电池中。

图2-18　电液比重计

●灌注蓄电池的电解液，其比重调在1.27±0.01。

●由于电解液的比重会随温度的变化而变化（温度每上升1℃，电解液比重减小0.0007），所以测量比重时应根据实际温度进行修正（表2-2、表2-3）。

表2-2　电解液与蒸馏水的配比

表2-3　电解液在不同温度下对比重计读数的修正数值

（4）电池的安装

①蓄电池与控制器的连接

连接蓄电池，一定要注意按照控制器的使用说明书的要求连接，而且电压一定要符合要求。若蓄电池的电压低于要求值时，应将多块蓄电池串联起来，使它们的电压达到要求。

②安装蓄电池的注意事项

●加完电解液的蓄电池应将加液孔盖拧紧，防止有杂质掉入电池内部。胶塞上的通气孔必须保持畅通。

●各接线夹头和蓄电池极柱必须保持紧密接触。连接导线接好后，需在各连接点涂上一层薄凡士林油膜，以防接点锈蚀。

●蓄电池应放在室内通风良好、不受阳光直射的地方。距离热源不得少于2 m。室内温度应经常保持在10～25℃之间。

●蓄电池与地面之间应采取绝缘措施，例如，垫置木板或其他绝缘物，以免因电池与地面短路而放电。

●放置蓄电池的位置应选择在离太阳能电池方阵较近的地方。连接导线应尽量缩短；导线线径不可太细。这样可以减少不必要的线路损耗。

●酸性蓄电池和碱性蓄电池不允许安置在同一房间内。

●对安置蓄电池较多的蓄电池室，冬天不允许采用明火保温，应用火墙来提高室内温度。

（5）蓄电池的充电

蓄电池在太阳能电池系统中的充电方式主要采用“半浮充方式”进行。这种充电方法是指太阳能电池方阵全部时间都同蓄电池组并联浮充供电，白天浮充电运行，晚上只放电不充电。

①半浮充电的特点

白天，当太阳能电池方阵的电势高于蓄电池的电势时，负载由太阳能电池方阵供电，多余的电能充入蓄电池，蓄电池处于浮充电状态。

当太阳能电池方阵不发电或电动势小于蓄电池电势时，全部输出功率都由蓄电池组供电，由于阻断二极管的作用，蓄电池不会通过太阳能电池方阵放电。

②充电注意事项

●干荷式蓄电池加电解液后静置20～30分钟即可使用。若有充电设备，应先进行4～5小时的补充充电，这样可充分发挥出蓄电池的工作效率。

●无充电设备时，在开始工作后，4～5天不要启动用电设备，用太阳能电池方阵对蓄电池进行初充电，待蓄电池冒出剧烈气泡时方可起用用电设备。

●充电时误把蓄电池的正、负极接反，如蓄电池尚未受到严重损坏，应立即将电极调换，并采用小电流对蓄电池充电，直至测得电液比重和电压均恢复正常后方可启用。

●蓄电池亏电情况的判断和补充充电。

③造成使用中的蓄电池亏电的原因

●在太阳能资源较差的地方，由于太阳能电池方阵不能保证设备供电的要求而使蓄电池充电不足。

●每年的冬季或连续几天无日照的情况下，用电设备照常使用而造成蓄电池亏电。

●用电器的耗能匹配超过太阳能电池方阵的有效输出能量。

●几块电池串联使用时，其中一块电池由于过载而导致整个电池组亏电。

●长时间使用一块电池中的几个单格而导致整块电池亏电。

④判断蓄电池是否亏电的方法

●观察到照明灯泡发红、电视图像缩小、控制器上电压表指示低于额定电压。

●用电液比重计量得电液比重减小。蓄电池每放电25%，比重降低0.04（表2-4）。

●用放电叉测量电流放电时的电压值，在5秒内保持的电压值即为该单格电池在大负荷放电时的端电压。使用放电叉时，每次不得超过20秒。

⑤补充充电方法

当发现蓄电池处于亏电状态时，应立即采取措施对蓄电池进行补充充电。有条件的地方，补充充电可用充电机充电，不能用充电机充电时，也可用太阳能电池方阵进行补充充电。

使用太阳能电池方阵进行补充充电的具体做法是：在有太阳的情况下关闭所有有用电器，用太阳能电池方阵对蓄电池充电。根据功率的大小，一般连续充电3～7天基本可将电池充满。蓄电池充满电的标志，是电解液的比重和电池电压均恢复正常；电池注液口有剧烈气泡产生。待电池恢复正常后，方可启用用电设备。

表2-4　蓄电池不同储(充)放电程度与电解液比重、负荷放电差

（6）固定型铅酸蓄电池的管理和维护

①日常的检查和维护

●值班人员或蓄电池工要定期进行外部检查，一般每班或每天检查一次。

检查内容：a.室内温度、通风和照明；b.玻璃缸和玻璃盖的完整性；c.电解液液面的高度，有无漏出缸外；d.典型电池的比重和电压，温度是否正常；e.母线与极板等的连接是否完好，有无腐蚀，有无凡士林油；f.室内的清洁情况，门窗是否严密，墙壁有无剥落；g.浮充电流值是否适当；h.各种工具仪表及保安工具是否完整。

●蓄电池专责技术人员或电站负责人会同蓄电池工每月进行一次详细检查。

检查内容：a.每个电池的电压、比重和温度；b.每个电池的液面高度；c.极板有无弯曲、硫化和短路；d.沉淀物的厚度；e.隔板、隔棒是否完整；f.蓄电池绝缘是否良好；g.进行充、放电过程情况，有无过充电、过放电或充电不足等情况；h.蓄电池运行记录簿是否完整，记录是否及时正确。

●日常维护工作的主要项目：a.清扫灰尘，保持室内清洁；b.及时检修不合格的落后电池；c.清除漏出的电解液；d.定期给连接端子涂凡士林；e.定期进行充电放电；f.调整电解液液面高度和比重。

②检查蓄电池是否完好的标准

●运行正常，供电可靠。a.蓄电池组能满足正常供电的需要；b.室温不得低于0℃，不得超过30℃，电解液温度不得超过35℃；c.各蓄电池电压、比重应接近相同，无明显落后的电池。

●构件无损，质量符合要求。a.外壳完整，盖板齐全，无裂纹缺损；b.台架牢固，绝缘支柱良好；c.导线连接可靠，无明显腐蚀；d.建筑符合要求，通风系统良好，室内整洁无尘。

●主体完整，附件齐全。a.极板无弯曲、断裂、短路和生盐；b.电解液质量符合要求，液面高度超出极板10～15 mm；c.沉淀物无异状、无脱落，沉淀物和极板之间距离在10 mm以上；d.具有温度计、比重计、电压表和劳保用品等。

●技术资料齐全准确，应具有：a.制造厂说明书；b.每个蓄电池的充、放电记录；c.蓄电池维修记录。

③管理维护工作的注意事项

●蓄电池室的门窗应严密，防止尘土入内；要保持室内清洁，清扫时要严禁将水洒入蓄电池；应保护室内干燥，通风良好，光线充足，但不应使日光直射蓄电池上。

●室内要严禁烟火，尤其在蓄电池处于充电状态时，不得将任何火焰或有火花发生的器械带入室内。

●蓄电池盖，除工作需要外，不应挪开，以免杂物落入电解液内，尤其不要使金属物落入蓄电池内。

●在调配电解液时，应将硫酸徐徐注入蒸馏水内，用玻璃棒搅拌均匀，严禁将水注入硫酸内，以免发生剧烈爆炸。

●维护蓄电池时，要防止触电，防止蓄电池短路或断路，清扫时应用绝缘工具。

●维护人员应戴防护眼睛和护身的防护用具。当有溶液落到身上时，应立即用50%苏打水擦洗，再用清水清洗。

④蓄电池正常巡视的检查项目

●电解液的高度应高于极板10～20 mm。

●蓄电池外壳应完整、不倾斜，表面应清洁，电解液应不漏出壳外。木隔板、铅卡子应完整、不脱落。

●测定蓄电池电解液的比重、液温及电池的电压。

●电流、电压正常，无过充、过放电现象。

●极板颜色正常，无断裂、弯曲、短路及生盐等情况。

●各接头连接应紧固、无腐蚀，并涂有凡士林。

●室内无强烈气味，通风及附属设备完好。

●测量工具、备品备件及防护用具完整良好。

4.直流—交流逆变器

（1）逆变器的功能

逆变器是电力电子技术的一个重要应用方面。电力电子技术是电力、电子、自动控制、计算机及半导体等多种技术相互渗透与有机结合的综合技术。

众所周知，整流器的功能是将50 Hz的交流电整流成为直流电。而逆变器与整流器恰好相反，它的功能是将直流电转换为交流电。这种对应于整流的逆向过程，被称为“逆变”。太阳能电池在阳光照射下产生直流电，然而以直流电形式供电的系统有很大的局限性。例如，日光灯、电视机、电冰箱、电风扇等均不能直接用直流电源供电，绝大多数动力机械也是如此。此外，当供电系统需要升高电压或降低电压时，交流系统只需加一个变压器即可，而在直流系统中升降压技术与装置则要复杂得多。因此，除特殊用户外，在光伏发电系统中都需要配备逆变器。逆变器还具备有自动调压或手动调压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。综上所述，逆变器已成为光伏发电系统中不可缺少的重要配套设备。

目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同（如12 V、24 V、48 V等），很难实现系统的标准化和兼容性，特别是民用电力，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用交流系统。随着我国光伏发电市场的日趋成熟，今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流。

（2）光伏发电系统对逆变器的技术要求

采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄电池和逆变器四部分组成，而逆变器是其中关键部件。光伏发电系统对逆变器的技术要求如下：

①要求具有较高的逆变效率。由于目前太阳电池的价格偏高，为了最大限度地利用太阳电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

②要求具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变器具有合理的电路结构，严格的元器件筛选，并要求逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

③要求直流输入电压有较宽的适应范围。由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄电池老化时其端电压的变化范围很大，如12 V蓄电池，其端电压可在10～16 V之间变化，这就要求逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

④在中、大容量的光伏发电系统中，逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对供电品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求逆变器输出失真度满足要求的正弦波形。

（3）逆变器的主要技术性能指标

①额定输出电压。在规定的输入直流电压允许的波动范围内，它表示逆变器应能输出的额定电压值。对输出额定电压值的稳定精度有如下规定：

●在稳态运行时，电压波动范围应有一个限定，例如，其偏差不超过额定值的±3%或±5%。

●在负载突变（额定负载的0%、50%、100%）或有其他干扰因素影响动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的±8%或±10%。

②逆变器应具有足够的额定输出容量和过载能力。逆变器的选用，首先要考虑具有足够的额定容量，以满足最大负荷下设备对电功率的需求。额定输出容量表征逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率因数小于1时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。

③输出电压稳定度。在独立光伏发电系统中均以蓄电池为储能设备。当标称电压为12 V的蓄电池处于浮充电状态时，端电压可达13.5 V，短时间过充状态可达15 V。蓄电池带负荷放电终了时端电压可降至10.5 V或更低。蓄电池端电压的起伏可达标称电压的30%左右。这就要求逆变器具有较好的调压性能，才能保证光伏发电系统以稳定的交流电压供电。

输出电压稳定度表征逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0%→100%变化时，该逆变器输出电压的偏差百分数，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应≤±3%，负载调整率应≤±6%。

④输出电压的波形失真度。当逆变器输出电压为正弦波时，应规定允许的最大波形失真度（或谐波含量）。通常以输出电压的总波形失真度表示，其值不应超过5%。

⑤额定输出频率。逆变器输出交流电压的频率应是一个相对稳定的值，通常为工频50 Hz。正常工作条件下其偏差应在±1%以内。

⑥负载功率因数。负载功率因数表征逆变器带感性负载或容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数为0.7～0.9（滞后），额定值为0.9。

⑦额定输出电流（或额定输出容量）。它表示在规定的负载功率因数范围内，逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以VA或k VA表示。逆变器的额定容量是当输出功率因数为1（即纯阻性负载）时，额定输出电压与额定输出电流的乘积。

⑧额定逆变输出效率。整机逆变效率高是光伏发电用逆变器区别于通用型逆变器的一个显著特点。10 k W级的通用型逆变器实际效率只有70%～80%，将其用于光伏发电系统时将带来总发电量20%～30%的电能损耗。光伏发电系统专用逆变器，在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。这是提高光伏发电系统技术经济指标的一项重要措施。在整机效率方面对光伏发电专用逆变器的要求是：千瓦级以下逆变器额定负荷效率≥80%，低负荷效率≥65%；10 k W级逆变器额定负荷效率≥85%，低负荷效率≥70%。

逆变器的效率值表征自身功率损耗的大小，通常以百分数表示。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。千瓦级以下的逆变器效率应为80%～85%，10 k W级的逆变器效率应为85%～90%。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有着重要影响。

⑨保护功能。光伏发电系统正常运行过程中，因负载故障、人员误操作及外界干扰等原因而引起的供电系统过流或短路，是完全可能的。逆变器对外部电路的过电流及短路现象最为敏感，是光伏发电系统中的薄弱环节。因此，在选用逆变器时，必须要求具有良好的对过电流及短路的自我保护功能。这是目前提高光伏发电系统可靠性的关键所在。

●过电压保护：对于没有电压稳定措施的逆变器，应有输出过电压的防护措施，以使负载免受输出过电压的损害。

●过电流保护：逆变器的过电流保护，应能保证在负载发生短路或电流超过允许值时及时动作，使其免受浪涌电流的损伤。

⑩起动特性。它表征逆变器带负载起动的能力和动态工作时的性能。逆变器应保证在额定负载下可靠起动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷起动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时采用软起动或限流起动。

噪声。电力电子设备中的变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件均会产生噪声。逆变器正常运行时，其噪声应不超过65 dB。

（4）逆变器的分类和电路结构

有关逆变器分类的原则很多，例如，根据逆变器输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据输出波形的不同，可分为方波逆变器和正弦波逆变器；根据逆变器使用的半导体器件类型不同，可分为晶体管逆变器、MOSFET模块及可关断晶闸管逆变器等；根据功率转换电路，又可分为推挽电路、桥式电路和高频升压电路逆变器等。为了便于光伏电站选用逆变器，这里对方波逆变器、正弦波逆变器和几种功率转换电路作进一步简要说明。

①方波逆变器

方波逆变器输出的交流电压波形为50 Hz方波。此类逆变器所使用的逆变线路也不完全相同，但共同的特点是线路比较简单，使用的功率开关管数量少。设计功率一般在几十瓦至几百瓦之间。方波逆变器的优点是：价格便宜，维修简单。缺点是：由于方波电压中含有大量高次谐波，在以变压器为负载的用电器中将产生附加损耗，对收音机和某些通信设备也有干扰。此外，这类逆变器中有的调压范围不够宽，有的保护功能不够完善，噪声也比较大。

②正弦波逆变器

这类逆变器输出的交流电压波形为正弦波，正弦波逆变器的优点是：输出波形好，失真度低，对通信设备无干扰，噪声也很低。此外，保护功能齐全，对电感型和电容型负载适应性强。缺点是：线路相对复杂，对维修技术要求高，价格较贵。早期的正弦波逆变器多采用分立电子元件或小规模集成电路组成模拟式波形产生电路，直接用模拟50 Hz正弦波切割几千赫兹至几十千赫兹的三角波产生一个SPWM正弦脉宽调制的高频脉冲波形，经功率转换电路、升压变压器和LC正弦化滤波器得到220 V/50 Hz单相正弦交流电压输出。但是这种模拟式正弦波逆变器电路结构复杂，电子元件数量多，整机工作可靠性低。随着大规模集成微电子技术的发展，专用SPWM波形产生芯片（如HEF4752、SA838等）和智能CPU芯片（如INTEL 8051、PIC16C73、INTEL80C196 MC等）逐渐取代小规模分立元件电路，组成数字式SPWM波形逆变器，使正弦波逆变器的技术性能和工作可靠性得到很大提高，已成为当前中、大型正弦波逆变器的优选方案。

③几种功率转换电路的比较

逆变器的功率转换电路一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，其主电路分别如图2-19、图2-20和图2-21所示。

如图2-19所示的推挽电路，将升压变压器的中心抽头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电输出。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。

图2-19　推挽式逆变器的电路原理

如图2-20所示的全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率开关管T1、T4和T2、T3反相，T1和T2相位互差180°，调节T1和T2的输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有能使T3和T4共同导通的功能，因而具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会产生畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共态导通，在T1、T3及T2、T4之间必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂。

图2-20　全桥式逆变器的电路原理

图2-21为高频升压电路，由于推挽电路和全桥电路的输出都必须加升压变压器，而工频升压变压器体积大，效率低，价格也较贵，随着电力电子技术和微电子技术的发展，采用高频升压变换技术实现逆变，可实现高功率密度逆变。这种逆变电路的前级升压电路采用推挽结构（T1、T2），但工作频率均在20 k Hz以上，升压变压器B1采用高频磁心材料，因而体积小、重量轻，高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，又经高频整流滤波电路得到高压直流电（一般均在250 V以上），再通过工频全桥逆变电路（T3、T4、T5、T6）实现逆变。采用该电路结构，使逆变电路功率密度大大提高，逆变器的空载损耗也相应降低，效率得到提高。该电路的缺点是电路复杂，可靠性比推挽电路和全桥逆变电路偏低。

图2-21　高频升压式逆变器的电路原理

（5）逆变器的波形产生电路

①方波输出的逆变器波形产生电路

方波输出的逆变器目前多采用如SG3525A、TL494等专用脉宽调制集成电路来产生占空比可变的PWM脉宽调制波形，并采用功率场效应管作为开关功率元件。由于SG3525具有直接驱功率场效应管的能力，并具有内部基准源和运算放大器和欠压保护功能，因此其控制性能更好。

●SG3525A双端输出式SPWM脉宽调制器专用芯片如图2-22所示。

图2-22　SG3525A脉宽调制器专用芯片的功能

◆振荡器及可调的死区时间：

振荡器的时标电容Ct单独设有放电电路，电容Ct通过外接电阻Rd至引脚7，改变Rd就可以改变Ct的放电时间，也改变了死区时间Td。

振荡器的振荡频率由下式确定：

◆慢启动电路：

慢启动电路是由外接电容Cm，并由内部50μA恒流源充电达到50%输出占空比的时间是：

◆输出限流和关断保护电路：

SG3525A的10脚为关闭保护端。当10脚电位V10＝0时，芯片正常工作；当V10＞0.7 V时，芯片将进行限流操作；当V10＞1.4 V时，将关断输出。

◆图腾柱式输出级：当Vc（13脚）和Vi（15脚）接＋12～15 V时，可使输出更快地关断，用以驱动功率MOSFET。在状态转换过程中，由于晶体管存在开闭滞后，使流出和吸收间出现重叠导通，在重叠处产生一个电流尖脉冲，其持续时间一般不会超过100 ns。为此应在Vc（13脚）和地之间接一个0.1μf的电容将它滤掉。

◆SG3525A推荐工作条件：

电源电压（16脚）：8～35 V；

集电极电压（13脚）：4.5～35 V；

吸收/流出负载电流：0～100 A；

参考负载电流：0～20 A；

振荡器频率范围：100 Hz～400 k Hz；

振荡器定时电阻：2～150 kΩ；

振荡器定时电容：0.001～0.1μF；

死区时间电阻范围：0～500Ω。

●TL494集成脉宽调制器如图2-23所示。

图2-23　TL494 PWM脉宽调制控制器的内部结构

②正弦波逆变器的波形产生

正弦波输出的逆变器，其控制电路可采用微处理器控制，如Intel公司生产的80C196MC、Microchip公司生产的PIC16C73等，这些单片机均具有多路PWM发生。

●PWM正弦波脉宽调制技术：

SPWM的控制策略：迄今为止，已有多种不同的SPWM控制策略被提出，如自然采样法、规则采样法、Δ调制法、滞环电流控制法和指定次谐波消除法等。

一般来说，模拟电路大多采用自然采样法，即将正弦参考波与三角载波接在一个比较器的两个输入端，比较器的输出即为产生的SPWM信号。信号的开关时刻由两个波形的交点确定。用此种方法可方便地产生高频SPWM信号，其优点是信号精确，电路简单；缺点是脉冲稳定性差，抗干扰能力差。

用微机软件实时产生SPWM信号是一种既方便又经济可靠的方法，它的稳定性及抗干扰能力均明显优于相应模拟控制电路。此外用微机软件具有多种优良性能，而用模拟电路很难实现的复杂的SPWM控制策略。目前使用微机产生SPWM信号最常用的控制策略是规则采样法。与自然采样法相比，规则采样法用电平按正弦规律变化的阶梯波代替了正弦波作为参考信号。这种改进大大减轻了计算PWM脉宽的工作量，使通过实时运算产生PWM波成为可能。现在很多系统均采用规则采样法，通过查表或查表与运算相结合，实时产生需要的PWM脉冲。

由于受微机字长、运算速度等因素的影响，目前用微机产生PWM调制信号大多只能应用于控制精度不高、载波频率较低的场合。在高载波频率下产生PWM信号，计算机就显得力不从心。如目前在软开关逆变器中开关频率一般均在20 k Hz以上，这时PWM信号的载波周期小于50μs，而在一个载波周期内PWM脉冲又分为三个间隔，这样每一个间隔就显得非常短。采用目前广泛应用的51系列或98系列单片机，执行一条指令的最短时间为1μs或2μs。在这样短的时间内通过实时运算完成产生PWM波，显得非常勉强。即使是采用纯查表法，在这样短的时间内，微机要完成响应定时器中断、给定时器送新的时间常数、送出PWM脉冲，也仍然是手忙脚乱。这时，微机除了生成PWM脉冲外，基本上已很难再做其他事情。因此在实现高频PWM技术时，有的文献介绍用双单片机，一片单片机专用于产生PWM信号（这对于单片机的资源显然是一种浪费），另一片单片机温差实时监测与控制任务。有的则只好用独立的模拟电路或数字模拟混合电路构成PWM信号发生器。

◆自然采样法：

直接用正弦波曲线和等腰三角波曲线相交点作为管子的开关点。

由于这种方法在一个三角波上的两个相交点与三角波的中心线不对称，所以难以用计算机进行实时控制与模拟。虽然也可以用查表法产生SPWM波形，但将占用大量的内存空间。

◆规则采样法：

这种方法的着眼点是设法得到一系列等间距的SPWM脉冲，使各个脉冲对三角载波的中心线对称，从而便于用计算机进行实时波形产生。

◆正负三角波的富氏级数展开式：

式中：ω＝2πfc。fc为载波频率（20～100 k Hz）。

◆正弦波的数学表达式如下：

Us＝1×sinωt

ω＝2πfs

式中：fs为输出频率（50 Hz）。

●SPWM脉宽调制波形的产生：

如果需要输出正弦电压波形，可用一个正弦波（调制信号fs）切割一个等腰三角波（载波信号fc），当正弦波幅度Us大于三角波幅度Uc时，SPWM输出为高电平“1”，当正弦波幅度Us小于三角波幅度Uc时，SPWM输出为高电平“0”。SPWM输出为一两侧窄中间宽的等幅不等宽的脉冲序列，但各脉冲的中心线间是等距的，且脉宽和正弦曲线下的积分面积成正比，即宽度按正弦规律变化，故称为SPWM脉宽调制。对于正弦波的负半周，可以用倒相技术或负值三角波来进行调制。

◆载波比：

当取N＝3的整倍数（3，9，15，21，27，33…）时，可保证逆变器输出波形的正、负半周始终保持完全对称，并能严格保持三相输出波形间具有120°的对称关系。

◆调制度：

●单极性SPWM脉宽调制波形如图2-24所示。

图2-24　单极性SPWM脉宽调制波形（自然采样法）

③双极性SPWM脉宽调制波形如图2-25所示。

图2-25　双极性SPWM脉宽调制波形（规则采样法）

（6）逆变器功率器件的选择

逆变器的主功率元件的选择至关重要，目前使用较多的功率元件有达林顿功率晶体管（GTR）、功率场效应管（MOSFET）、绝缘栅晶体管（IGBT）和可关断晶闸管（GTO）等。在小容量低压系统中，使用较多的器件为MOSFET，因为MOSFET具有较低的通态压降和较高的开关频率；在高压中容量系统中，一般均采用IGBT模块，这是因为MOSFET随着电压的升高其通态电阻也随之增大，而IGBT在中容量系统中占有较大的优势；而在特大容量（100 k VA以上）系统中，一般均采用GTO作为功率元件。

①功率器件的分类

●GTR电力晶体管（Giant Transistor）

GTR功率晶体管即双极型晶体管（Bipolar Transistor），所谓双极型，是指其电流由电子和空穴两种载流子形成的，一般采用达林顿复合结构。它的优点是：高电流密度和低饱和电压。它的缺点即导通电阻大，且随温度的升高而增大。

●功率场效应模块（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Tyansistor，MOSFET）其优点如下：

◆开关速度快：功率MOSFET又称VDMOS，是一种多子导电器件，参加导电的是多数载流子，没有少子存储现象，所以无固有存储时间，其开关速度仅取决于极间寄生电容，故开关时间极短（为50～100 ns），因而具有更高的工作频率（可达100 k Hz以上）。

●驱动功率小：功率MOSFET是一种电压型控制器件，即通断均由栅极电压控制。完全开通一个功率MOSFET仅需要10～20 mμs库仑的电荷，例如一个1 A、10 mμs宽的方波脉冲，完全开通一个功率MOSFET仅需要10 mμs秒的时间。另外还需注意的是，在特定的下降时间内关断器件无须负栅脉冲。由于栅极与器件主体是电隔离的，因此功率增益高，所需要的驱动功率很小，驱动电路简单。

◆安全工作区域（SOA）宽：功率MOSFET无二次击穿现象，因此其SOA较同功率的GTR双极性晶体管大，且更稳定耐用，工作可靠性高。

◆过载能力强：功率MOSFET开启电压（阈值电压）一般为2～6 V，因此具有很高的噪声容限和抗干扰能力。

◆并联容易：功率MOSFET的通态电阻具有正稳定系数（即通态电阻随结温升高而增加），因而在多管并联时易于均流，对扩大整机容量有利。

◆功率MOSFET具有较好的线性，且对温度不敏感。因此开环增益高，放大器级数相对可减少。

◆器件参数一致性较好，批量生产离散率低。

◆功率MOSFET的缺点：导通电阻大，且随温度升高而增大。

②功率MOSFET的主要参数特性

●漏源击穿电压（V）V（BR）DSS：是在UGS＝0时漏极和源极所能承受的最大电压，它是结温的正温度系数函数。

●漏极额定电流ID：ID是流过漏极的最大的连续电流，它主要受器件工作温度的限制。一般生产厂家给出的漏极额定电流是器件外壳温度Tc＝25℃时的值，所以在选择器件时要考虑充分的裕度，防止在器件温度升高时漏极额定电流降低而损坏器件。

●通态电阻RDS（ON）：它是功率MOSFET导通时漏源电压与漏极电流的比率，它直接决定漏极电流。当功率MOSFET导通时，漏极电流流过通态电阻产生耗散功率，通态电阻值越大，耗散功率越大，越容易损坏器件。另外，通态电阻与栅极驱动电压UGS有关，UGS越高，RDS（ON）越小，而且栅源电压过低，抗干扰能力差，容易误关断；但过高的栅极电压会延缓开通和关断的充放电时间，即影响器件的开关特性。所以综合考虑，一般取UGS＝12～15 V。

手册中给出的RDS（ON）是指器件温度为25℃时的数值，实际上器件温度每升高1℃，RDS（ON）将增大0.7%，为正温度系数。

●最大耗散功率PD（W）：是器件所能承受的最大发热功率（器件温度为25℃时）。

●热阻Rθjc（℃/W）：是结温和外壳温度差值相对于漏极电流所产生的热功率的比率。其中：θ表示温度，j表示结温，c表示外壳。

●输入电容（包括栅漏极间电容CGD和栅源极间电容CGS）：在驱动MOSFET中输入电容是一个非常重要的参数，必须通过对其充放电才能开关MOSFET，所以驱动电路的输出阻抗将严重影响MOSFET的开关速度。输出阻抗越小，驱动电路对输入电容的充放电速度就越快，开关速度也就越快。温度对输入电容几乎没有影响，所以温度对器件开关速度影响很小。栅漏极间电容CGD是跨接在输出和输入回路之间，所以称为米勒电容。

●栅极驱动电压UGS：如果栅源电压超过20 V，即使电流被限于很小值，栅源之间的硅氧化层仍很容易被击穿，这是器件损坏的最常见原因之一，因此，应该注意使栅源电压不得超过额定值。还应始终记住，即使所加栅极电压保持低于栅－源间最大额定电压，栅极连续的寄生电感和栅极电容耦合也会产生使氧化层损坏的振荡电压。通过栅漏自身电容，还可把漏极电路瞬变造成的过电压耦合过来。鉴于上述原因，应在栅－源间跨接一个齐纳稳压二极管，以对栅极电压提供可靠的嵌位。通常还采用一个小电阻或铁氧体来抑制不希望的振荡。

●MOSFET的截止，不需要像双极晶体管那样，对驱动电路进行精心设计（如在栅极加负压）。因为MOSFET是多数载流子半导体器件，只要把加在栅极－源极之间的电压一撤销（即降到0），它马上就会截止。

●在工艺设计中，应尽量减小与MOSFET各管脚连线的长度，特别是栅极连线的长度。如果实在无法减小其长度，可以用铁氧体小磁环或一个小电阻和MOSFET的栅极串接起来，这两个元件尽量靠近MOSFET的栅极。最好在栅极和源极之间再接一个10 kΩ的电阻，以防栅极回路不慎断开而烧毁MOSFET。

◆功率MOSFET内含一个与沟道平行的反向二极管，又称体二极管。这个二极管的反向恢复时间长达几微秒到几十微秒，其高频开关特性远不如功率MOSFET本身，使之在高频下的某些场合成了累赘。

③IGBT（Isolated Gate Bipolar Transistor）绝缘门极双极型晶体管

通态电阻RDS（ON）大是MOSFET的一大缺点，如在其漂移区中注入少子，引入大注入效应，产生电导调制，使其特征阻抗大幅度下降，这就是IGBT。在同等耐压条件下，IGBT的导通电阻只有MOSFET的1/30～1/10，电流密度提高了10～20倍。但是引入了少子效应，形成两种载流子同时运行，使工作频率下降了许多。IGBT是MOSFET和GTR双极性晶体管的折中器件，结构上和MOSFET很相似，但其工作原理更接近GTR，所以IGBT相当一个N沟道MOSFET驱动的PNP晶体管。特点：它将MOSFET和GTR的优点集于一身，既具有MOSFET输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有GTR通态电压低、耐压高的优点。