后備式光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

王韜

摘 要：后備式光伏發(fā)電可以自動(dòng)控制并追蹤太陽光，發(fā)揮出光伏電池的最大功率，從而實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電保護(hù)功能，可以確保功率變換器實(shí)現(xiàn)DC/DC 、DC/AC的變換，本文最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也說明了此發(fā)電系統(tǒng)具備一定的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：后備式；光伏發(fā)電系統(tǒng)；研究設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.154

1 后備式光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

儲(chǔ)能系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、功率變換器以及負(fù)載等部分組成了后備式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)主要將電能儲(chǔ)蓄至蓄電池，且可以利用控制器實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放保護(hù)。發(fā)電系統(tǒng)主要包括太陽能自動(dòng)跟蹤器以及光伏組件等組成，而功率變換器具備升壓以及逆變等兩種功能。

2 自動(dòng)跟蹤控制太陽光

經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在太陽能光伏發(fā)電過程中，具備自動(dòng)跟蹤裝置光伏陣列的發(fā)電能量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固定式的發(fā)電設(shè)備，且自動(dòng)跟蹤設(shè)備的成本也更低。可以發(fā)現(xiàn)，跟蹤太陽光不但可以充分利用太陽能性能，還可以降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。為此，本文實(shí)驗(yàn)利用L298設(shè)計(jì)了跟蹤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上采用了雙軸的跟蹤模式。且光敏電阻R1、R2、R3以及R4的安裝如圖1所示。

早晨太陽光會(huì)直接照射在R8，此時(shí)OUT1與OUT2之間的直流電機(jī)并不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)；隨著太陽光的逐漸升起，光線會(huì)逐漸照射至R1，由L298的基本工作原理可知，此時(shí)直流電機(jī)啟動(dòng)，并利用齒輪減速控制光伏組件向西轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定角度時(shí)，R1會(huì)被擋住，直流電機(jī)也會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣不斷循環(huán)直至太陽下山，R1與R8都不會(huì)在有光線照射，此時(shí)直流電機(jī)會(huì)出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，直至關(guān)閉行程開關(guān)。

3 控制儲(chǔ)能系統(tǒng)及最大功率

儲(chǔ)能系統(tǒng)的電路主要采用升壓式的斬波電路，也可被稱為Boost變換器，如圖2所示。

控制光伏電池可以充分利用太陽能，以致光伏電池可以輸出最大功率，其當(dāng)前主要利用電壓反饋法、增加電導(dǎo)法等進(jìn)行控制。由Boost變換器的工作原理可知，改變光伏輸出壓的基礎(chǔ)方法便是改變開關(guān)管占空比D，進(jìn)而可以控制光伏電池的輸出功率P。

為了求出最大功率，根據(jù)光伏系統(tǒng)中D與P的關(guān)系得出一維函數(shù)，具體如圖3所示。

求單峰函數(shù)的極值也就是找出一維函數(shù)的極值點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)利用黃金分割法求解，計(jì)算比較黃金點(diǎn)的函數(shù)值，并縮小初始區(qū)間，找出區(qū)間內(nèi)的兩個(gè)對(duì)稱點(diǎn)。設(shè)[Da，Db]為迭代區(qū)間，計(jì)算可知，當(dāng)Db—Da=0時(shí)的功率最大，為Pa，且此時(shí)Pa=Pb。

4 設(shè)計(jì)功率變換器

本文中的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采用的是交流負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行供電，因而蓄電池的輸出功率應(yīng)在48V至220V之間，此時(shí)功率變換器則完成電壓的轉(zhuǎn)換工作，首先將48V的直流電壓升至360V，而后再將360V的電壓逆變?yōu)?20V的交流電壓，在此變換過程中主要利用PWM的集成電路芯片。

（1）控制升壓電路。升壓電路中主要采用SG3525芯片結(jié)構(gòu)，且輸出級(jí)采用推挽輸出方式，利用雙通道進(jìn)行輸出，每個(gè)通道的驅(qū)動(dòng)電流最大值為200毫安，具備軟啟動(dòng)、鎖定以及過壓保護(hù)等功能。

（2）設(shè)計(jì)逆變電路。本系統(tǒng)中的逆變電路主要采用單相全橋電壓型的電路系統(tǒng)，且利用逆變電源的專用芯片U296進(jìn)行控制。且電路中使用了高頻的變壓器，以便應(yīng)對(duì)開關(guān)管的隔離驅(qū)動(dòng)問題，充分隔離功率變換器與電源設(shè)施，進(jìn)而提升了光伏系統(tǒng)的抗干擾性能。具體情況如下圖4所示。

5 實(shí)驗(yàn)及最終結(jié)論

為了驗(yàn)證后備式光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效性，本文也進(jìn)行了具體的實(shí)驗(yàn)分析，且具體參數(shù)分別為，最大功率為1kW；最大工作電流為5安；短路電流為5.5安；開路電壓為45V；交流輸出電壓為220V/50Hz。

首先應(yīng)制定自動(dòng)跟蹤控制表，根據(jù)當(dāng)?shù)靥柟獾木唧w光照角度，使用太陽能電池的自動(dòng)跟蹤控制方法，制定出光伏的自動(dòng)跟蹤控制表，確保光伏電池在不同時(shí)刻都可以隨時(shí)跟隨太陽光。其次應(yīng)控制光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，此過程主要通過微控制器實(shí)現(xiàn)MPPT系統(tǒng)的控制功能。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，上述MPPT系統(tǒng)的控制方法可以快速適應(yīng)外部環(huán)境變化，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，保持良好的工作狀態(tài)，并充分降低了最大功率點(diǎn)處，光伏器件發(fā)生功率振蕩問題的幾率。最后是功率變換器，根據(jù)交流負(fù)載供電電壓的波形結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)期間采用逆變電路以及升壓電路的示意結(jié)構(gòu)，最終逆變器輸出220V/50Hz的電壓。

參考文獻(xiàn)：

[1]張鐵良，張穎媛.一種多功能分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)[J].智能電網(wǎng)，2014（08）.