小型光伏發電系統電路設計

廣東石油化工學院自動化系 羅如山 冼嘉豪 劉 美 陳金鵬

小型光伏發電系統電路設計

廣東石油化工學院自動化系 羅如山 冼嘉豪 劉 美 陳金鵬

對小型并網式光伏發電系統進行深入研究及硬件設計，通過設計直流斬波升壓電路及逆變電路，在進行實驗的基礎上分析其存在的問題，設計一款小型的太陽能光伏發電系統。

光伏發電；直流升壓；逆變電路

1.引言

太陽能資源是一種可再生能源，地球上每年接受的太陽能要比目前地球需求的能量大6000倍，而且太陽能資源在地球上分布廣泛，不受各種地理因素的限制，只要有陽光的地方就可以使用光伏發電系統，其中基于光伏太陽能電池的太陽能發電技術在生活中的應用正日益擴大，通過充分利用到太陽能這一取之不盡的可再生能源，本項目通過設計一種小型光伏發電站，在實驗的基礎上，逐步用于生活當中，無論是對科學研究，還是對人類社會的可持續發展，都具有重要的意義。

2.光伏發電系統結構

光伏發電系統是由太陽能電池方陣，蓄電池組，充放電控制器，逆變器，交流配電柜，最大功率跟蹤控制系統等設備組成。

2.1 太陽能電池板

太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，在有光照情況下，光伏電池吸收光能，電池兩端出現不同性質電荷的積累，即產生“光生電壓”，這就是“光生伏特效應”。在光生伏特效應的作用下，太陽能電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能，是能量轉換的器件。太陽能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽能電池，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。

太陽能電池板是太陽能發電系統中最重要的部件之一，其轉換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。 光伏設計可以按國際電工委員會標準要求（IEC：1215-1993）進行設計，采用多片單晶硅太陽能電池進行串聯以形成12V和24V各種類型的組件。該組件可用于戶外光伏系統、固定光伏電站和聯網光伏電站等。

2.2 逆變器

太陽能光伏電路的直接輸出一般都是12V、24V或48V的直流電能。為能向使用220V交流的電氣設備提供電能，需要將光伏發電所產生的直流電能轉換成交流電能的形式，因此需要使用DC-AC逆變器。

2.3 交流配電柜

交流配電柜在光伏發電系統的主要作用實現配電與保護等功能，同時實現對備用電源及逆變器的切換功能，保證系統的正常供電，同時還有對線路電能的計量、計費等功能。

2.4 蓄電池組

蓄電池組可以貯存太陽能，即電池方陣受光照時發出的電能。并可隨時向負載供電。太陽能電池發電對所用蓄電池組的基本要求是：a.自放電率低；b.使用壽命長；c.深放電能力強；d.充電效率高；e.少維護或免維護；f.工作溫度范圍寬；g.價格低廉。

2.5 控制器系統

控制器系統是能防止蓄電池過充電和過放電的設備。由于蓄電池的循環充放電次數及放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充放電控制器是必不可少的設備。

由于相對于某一個固定放置的太陽能光伏發電系統，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太陽的光照角度時時刻刻都在變化，如果太陽能電池板能夠時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。世界上通用的太陽跟蹤控制系統都需要根據安放點的經緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現跟蹤。采用的是電腦數據理論，需要地球經緯度地區的數據和設定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設定數據和調整各個參數；原理、電路、技術、設備復雜，非專業人士不能夠隨便操作。把加裝了智能太陽跟蹤儀的太陽能發電系統安裝在高速行駛的汽車、火車，以及通訊應急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上，不論系統向何方行駛、如何調頭、拐彎，智能太陽跟蹤儀都能保證設備的要求跟蹤部位正對太陽。

3.升壓變換器設計

由于光伏系統產生的電壓比較低，所以需要使用升壓變換器。升壓變換器工作原理是：首先控制開關器件導通當以此給電感儲存能量，接下來通過電感上的感應電動勢疊加電源電源，因此負載所得到的電壓將會高于輸入的電源電壓。當開關器件關斷的時候，電感電流降低，并且放出來的能量不會瞬間改變，因此就形成了左減右加的電動勢。這就使得升壓電路能夠在儲能元件電壓高但光伏輸出電壓低狀態下運行。同時電源也通過二極管向負載提供能量。V0＞Vin決定了升壓變換器可以應用在蓄電池電壓高而太陽能光伏輸出電壓低的情況。變換器可以運行在電感電流連續或斷續狀態。對于升壓變壓器是輸出電壓V0＞輸入電壓Vin。在升壓斬波變換器中所用的電力電子元器件與降壓式變換器相同，不同點是在于電路的拓撲結構不同。作為升壓電感的Lf一般在輸入側。對于升壓式變換器來說脈沖寬度調制依舊是全控開關管的控制方式。

因此升壓斬波變換器的工作包含兩個部分，每個部分的電路具有不同的形式。（1）開關管導通，Lf儲能階段，負載所需能量由Cf供給（電源此時不提供能量）。（2）開關管關斷時，Lf，Cf同時向負載提供能量。所以。此工作狀態為開關管和二極管輪流工作，當開關管導通時。當系統處于穩態時 ，所以，即流過二極管D的平均電流和負載電流相等。

圖1 系統主電路圖

圖2 輸出電壓波形（19.1V,0.27A）

圖3 場效應管柵極波形圖

4.光伏并網發電系統設計

本項目所設計的的太陽能光伏發電系統分兩部實現光伏系統并網如圖1所示，包含了前級的直流斬波電路與后級的逆變電路。首先借助前級的直流斬波變換環節實現直流升壓，通過升壓斬波電路結合光伏陣列的工作點完成最大功率點的跟蹤的要求。逆變環節通過使用電壓型單相全橋逆變器進行直流變交流，控制輸出電壓的同時做頻率跟蹤，目的是讓輸出電壓的頻率和電網的交流電源頻率一致。由于兩個部分所實現的目的不同，而且控制的目標和方式都相對獨立，因此可以分開各自設計，最后進行綜合調試。本項目設計相對偏差的絕對值≤1，THD≤5%，具有欠電壓保持功能，輸出過流保護功能，實驗波形如圖2、圖3所示。

6.總結與展望

本文通過介紹光伏發電系統變換器的工作原理以及工作電路，通過建立仿真電路模型以及實驗等方式來解釋太陽能光伏發電系統內部結構以及工作原理。通過實驗所測出的DC/DC變換器波形以及DC/AC變換器波形來詳細講述其具體構造以及分類狀況，實驗表明，光伏發電系統工作良好，可以進一步推廣制作。參考文獻

[1]孫向東,任碧瑩,張琦,安少亮.太陽能光伏并網發電技術[M].北京:電子工業出版社,2014.

[2]白劍波.太陽能光伏系統建模、仿真與優化[M].北京:電子工業出版社,2014.

[3]趙明智,張曉明,宋士金.太陽能光伏發電技術及應用[M].北京:北京大學出版社,2014.

[4]Luis Castaner.光伏系統的PSpice建模[M].北京:機械工業出版社,2015.

[5]王楠,沈倪勇,莫正康.電力電子應用技術[M].北京:機械工業出版社,2014.

廣東石油化工學院大學生創新創業訓練計劃項目(小型并網式光伏發電系統設計)；廣東高校石油化工過程裝備故障診斷與信息化控制工程技術開發中心資助項目（三電平高壓變頻器模糊控制研究）。