太陽能光伏電源的研究與優化設計

李澤鳴 李江峰 胡 銳 焦冬莉 宋雪瑋

（安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

太陽能光伏電源的研究與優化設計

李澤鳴 李江峰 胡 銳 焦冬莉 宋雪瑋

（安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

針對目前太陽能光伏電源普遍存在的成本高，效率低的現狀，本文針對性地從逆變器的拓撲結構、蓄電池容量設計和最大功率跟蹤等幾個方面進行了詳細分析，并完成了系統性的優化設計。

光伏電源；拓撲結構；逆變器

0 引言

太陽能光伏發電被譽為21世紀最具潛力的綠色產業之一，在全球能源供需緊張、生態環境遭到嚴重破壞、環境質量急劇惡化的大背景下，隨著人們環保意識增強以及國家政策扶持等利好因素的推動下，具有獨特優勢和巨大開發利用潛力的太陽能光伏發電以其建站周期短、維護簡便、無須消耗燃料、能量取之不盡用之不竭等特點，越來越受到人們的青睞。然而目前在降低成本、提高效率方面仍是非常值得我們研究的課題。本文擬從逆變器的拓撲結構、蓄電池容量和最大功率點跟蹤幾個方面對其進行系統的分析和設計。光伏系統的基本組成如圖1所示。

圖1 光伏發電系統的基本組成

1 逆變器的拓撲結構設計

1.1 升壓環節拓撲結構比較

升壓環節實際上是DC-DC開關電源，DC-DC變換器的拓撲很多，但我們采用的DC-DC變換器是作為逆變電源的直流升壓環節，需要有電氣隔離。

（1）正激式。電路拓撲簡單，但是這種拓撲結構有許多不足之處。首先只能適合低壓輸入電路。其次，主功率管一般采用占空比小于0.5。再次，變壓器工藝水平的高低將直接影響到電路的性能。

（2）推挽式。電路結構簡單，但電路必須有良好的對稱，適合低壓大電流場合。

（3）全橋式。功率器件較多，控制及驅動較復雜，適合大功率場合。

（4）反激式。電路形式與正激式變換器相似，主功率管的承受的電壓也相同，只是變壓器的接法不同。從輸出端看，反激式是電流源，不能開路。

綜合本文選擇推挽變換方式。推挽電路結構簡單，適用于低壓大電流的場合，滿足獨立光伏系統的要求。

圖2 逆變電源系統結構圖

1.2 光伏發電逆變電源的系統結構

如圖2為逆變電源系統結構圖。輸入的直流信號經過直流升壓后濾波，得到高壓直流，再經過逆變電路輸出交流。直流升壓采用推挽電路，工作頻率在50kHz，升壓變壓器采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕；高頻逆變后經過高頻變壓器變成高頻交流電，再經高頻整流濾波電路得到350V高壓直流電。后級采用單相全橋逆變電路，采用SPWM控制，再通過濾波電路得到220V/50Hz交流輸出。

2 控制電路設計

升壓環節主電路如圖3所示。由推挽逆變電路、輸出整流濾波電路、控制電路以及保護電路構成。

圖3 升壓環節主電路

2.1 變壓器設計

變壓器設計的步驟是根據總的輸出功率初步選定磁芯。本文先初步選定特定的磁芯、峰值磁通密度和工作頻率，然后來計算輸出功率。如果輸出功率不足，則增大磁芯，然后重新計算直到得到所需的輸出功率。選定磁芯后，計算原副邊匝數，確定繞線規格。

2.2 功率的選擇

推挽電路中開關管承受的最高穩態電壓為兩倍的最大輸入電壓VDsMmax=2×28=56V，考慮到變壓器漏感引起的電壓尖峰的影響，一般要考慮一個系數k，這里取為1.3，即選擇的MOSFET的電壓必須大于1.3×56=72.8V。一般在低壓時選擇MOSFET。一般允許電壓峰值時的電流峰值為最大值的3倍，即為55.56×3=166.7A。查資料選用IXYS公司的IXFN230N10，其參數如下:VDSS=100V,ID=230A,RDS=0.00652，to＜250ns

3 蓄電池選擇與設計

太陽能光伏系統的儲能裝置主要是蓄電池，且蓄電池通常工作在浮充狀態下，其電壓隨發電量與用電量的變化而變化，考慮到發電量、環境溫度及光照天數等的影響，目前廣泛采用的是鉛酸免維護蓄電池。

蓄電池的容量設計：

目前常用的蓄電池容量計算方法有以下兩種：

（1）電壓控制法

按事故狀態下直流負荷消耗的安時值計算容量，并按事故放電末期或其他不利條件下檢驗直流母線電壓水平。

（2）電流換算法

按事故狀態下直流負荷電流和放電時間來計算容量。該方法相對于電壓控制法，考慮了大電流放電后負荷減小的情況下，電池具有恢復容量的特性，該算法不需對電池容量進行電壓校驗。

本文采用容量換算法計算容量，取電壓系數為0.885，則計算單個電池的放電終止電壓為：

因此，蓄電池容量的計算公式為：

式中 CS為事故放電容量；KCC為容量系數；Krel為可靠系數，一般取1.40。

4 最大功率跟蹤設計

影響光伏逆變效率的兩個主要原因：一是在將直流電流轉換成交流正弦波時，功率半導體發熱會導致產生損失，但通過改進開關電路的設計，可使這一損失減至最低。二是憑借逆變器的控制經驗來提高效率。本文采用恒定電壓跟蹤法

因光伏陣列的最大功率輸出點大致對應于某一恒定電壓，這就把MPPT控制簡化為穩壓控制，這就構成了CVT式的MPPT控制。

CVT控制的優點是：控制簡單，易實現，可靠性高；系統不會出現振蕩，有很好的穩定性；可以方便地通過硬件實現。控制流程圖如圖4所示：

5 結論

圖4 采用CVT控制的控制流程圖

本文從理論上分析了太陽能光伏電源的普遍特性，并針對性地進行了優化設計，在實際應用過程中，光伏電源的設計還要求考慮到實際需要來合理的選擇太陽能電池組件、蓄電池、逆變器、控制器和匯流盒等部件，才能更充分的體現節能與環保。

［1］師宇騰.太陽能光伏陣列模擬器綜述[J].電源技術,2012,2.

［2］劉志強.10kW光伏并網逆變器的研制[D].北京:北方工業大學,2011.

［3］趙玉文.太陽能光伏技術的發展概況[C]//第五屆全國光伏技術學術研討會論文集.1998.

［4］林安中,王斯成.國內外太陽電池和光伏發電的進展與前景[J].太陽能學報,增刊,1999:68-74.

［5］汪海寧.光伏并網功率調節系統及其控制的研究[D].合肥:合肥工業大學,2005.

［6］周德佳.太陽能光伏發電技術現狀及其發展[J].電氣應用,2007.

Think of the common problems in the solar Photovoltaic power supply:high cost,low efficiency,this paper is designed from the topology of inverter,battery capacity calculation and the maximum power point tracking structure.It is analyzed in detail,and is optimized in this paper.

Photovoltaic power;Topology;Inverter

楊玉潔］