光伏生態(tài)溫棚系統(tǒng)多路輸出輔助電源設計

苗風東,鄒玉煒

(安陽師范學院 物電學院，河南 安陽455000)

0 引言

光伏生態(tài)溫棚一體化建設項目是太陽能光伏發(fā)電和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植的有機結(jié)合，是新型生態(tài)智能農(nóng)業(yè)與綠色電力生產(chǎn)相結(jié)合的現(xiàn)代化經(jīng)營模式，可實現(xiàn)綠色發(fā)電、節(jié)能環(huán)保、利農(nóng)惠農(nóng)，經(jīng)濟效益和生態(tài)環(huán)境同步發(fā)展。本文設計的光伏生態(tài)溫棚系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中光伏發(fā)電電源供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。光伏板通過前級DC/DC Boost升壓變換器將其輸出電壓抬升到直流母線所需要的電壓，為系統(tǒng)提供所需的直流電壓，同時能夠?qū)崿F(xiàn)太陽光伏板的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制；后級DC/AC單相全橋逆變器通過靜態(tài)開關(guān)連接于電網(wǎng)或為交流負載提供電源。

圖1 光伏生態(tài)大棚系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有間歇性和隨機性等特點，這就要求為系統(tǒng)供電的輔助電源具有較寬的輸入電壓范圍和較小的輸出紋波電壓。為系統(tǒng)的控制電路、信號采樣電路、保護電路以及功率管的驅(qū)動電路提供穩(wěn)定可靠的供電電源，需要設計一款與主電路隔離的多路輸出的輔助電源。

可以用作輔助電源的變換器種類很多，其中反激式變換器因具有電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單、效率高、體積小、可靠性高、多路輸入輸出隔離以及較強的自動均衡各路輸出負載的能力等優(yōu)點，獲得了廣泛應用[1-3]。

圖2 光伏發(fā)電電源供電系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)各部分輔助電源要求

本系統(tǒng)輔助電源的輸入電壓通過直流母線獲得，通過對系統(tǒng)各部分的具體分析可知，本文設計的目標是完成一個直流輸入電壓范圍為125V～400V，9路不同等級直流輸出，輸出功率Po=43 W，效率η=80%，最大占空比Dmax=0.47，工作頻率fs=40 kHz的單端反激式開關(guān)穩(wěn)壓直流電源，具體參數(shù)如表1所示。其中-7VD、-7VU、-7VV是為了保證功率開關(guān)管安全、可靠的關(guān)斷而設計。

2 輔助電源電路設計

圖3 基于UC3844的光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助電源原理圖

表1 系統(tǒng)各部分對電源的指標要求

圖3是基于UC3844的單端反激式光伏發(fā)電系統(tǒng)輔助開關(guān)電源原理圖。UC3844為電流峰值集成控制芯片，外部的電流采樣信號通過其電流比較器同相輸入端引腳3構(gòu)成電流反饋控制環(huán)。三端可控基準源TL431與線性光耦PC817以及UC3844的引腳1、2構(gòu)成電壓反饋控制環(huán)。

2.1 高頻變壓器的設計[4-5]

1.變壓器磁芯的選擇

高頻變壓器作為開關(guān)電源的核心組成部分,對電源效率和工作可靠性,以及輸出電氣性能都起著非常重要的作用。反激式變壓器作為變壓器使用的同時，又作為儲能電感，其設計方法與其他類型的變壓器不同。變壓器磁芯的選擇主要包括磁芯材料、形狀、規(guī)格、尺寸的選擇。高頻變壓器的磁芯一般用鐵氧體制作成EI型或EE型，具有結(jié)構(gòu)繞制方便、漏感很小、耦合性好等優(yōu)點。

根據(jù)高頻變壓器磁芯有效截面積Ae與最大承載功率Pmax之間的經(jīng)驗公式(1)：

(1)

將變壓器的最大承載功率Pmax=43W代入公式(1)，可得高頻變壓器磁芯有效截面積Ae=98.36mm2，再根據(jù)變壓器工作頻率fs=40 kHz，因此我們選擇錳鋅鐵氧體磁芯EE33，材料為 日本TDK公司的PC40，查變壓器手冊，其性能如表 2 所示。

依據(jù)面積乘積公式(2)對所選的磁芯進行校驗。

(2)

其中：Kf中為波形的系數(shù)，方波情況下可取0.4；K0為窗口充填系數(shù)，通常取0.3；J為電流密度，一般取4A/mm2；Bw為工作磁感應強度，為保證高頻變壓器在整個工作狀態(tài)不出現(xiàn)飽和現(xiàn)象以及減少鐵心損耗，其取值不宜太大，通常取Bw=(1/3～2/3)Bs即可滿足要求，本設計取Bw=0.5Bs，即Bw=260mT。將上述數(shù)據(jù)代入公式(2)可得到Ap=8613.78mm2。

表2 EI30磁芯性能參數(shù)

由表2可知，EE33型磁芯的磁芯面積乘積Ap=15725.2mm2大于公式(2)得到的Ap=8613.78mm2，滿足設計要求，故本系統(tǒng)選用EE33型錳鋅鐵氧體磁芯。

2.變壓器原邊繞組電感量及匝數(shù)的計算

為保證該反激變換器在直流輸入電壓為125V～400V范圍內(nèi)均能正常工作，則其原邊的峰值電流為公式(3)：

(3)

則原邊短路時的過載電流為公式(4)：

Is=1.3Ipk=1.3×1.83=2.83(A)

(4)

則變壓器原邊電感量為公式(5)：

(5)

變壓器原邊儲存的能量為公式(6)：

(6)

則變壓器原邊安匝為公式(7)：

(7)

則變壓器原邊匝數(shù)為公式(8)：

(8)

3.變壓器副邊繞組匝數(shù)的計算

變壓器副邊繞組匝數(shù)可通過公式(9)計算得到。

(9)

其中U0為副邊繞組端電壓；UF為輸出端整流二極管的正向壓降。例如當副邊繞組端電壓為+5V時的復變繞組匝數(shù)為公式(10)：

(10)

4.變壓器磁芯氣隙的計算

為防止變高頻壓器出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象以至于損壞功率開關(guān)管，設計時通常需要在磁心的兩個側(cè)面各留出一定的氣隙δ。變壓器磁芯選用由錳鋅鐵氧體PC40材料制成的EE型磁芯，其所需氣隙長度δ可通過公式(11)計算得到。

(11)

其中ΔB為工作磁感應強度的變化值，由表2可知,Bw=260mT，剩磁Br=135 mT，則ΔB=Bw-Br=125 mT，代入公式(11)可得高頻變壓器的磁芯氣隙δ=0.3mm。

2.2 變壓器原邊緩沖保護電路設計[6]

根據(jù)反激式變換器的工作機理可知，由于高頻變壓器存在漏感等因素，在功率開關(guān)器件關(guān)斷的瞬間，在變壓器的一次繞組上會產(chǎn)生感應電壓和尖峰電壓，以上二者與直流電壓疊加后很容易損壞功率開關(guān)管。故必須增加漏極鉗位保護電路，對出現(xiàn)的尖峰電壓進行鉗位和吸收處理。本系統(tǒng)采用R86、C69、和二極管D103組成RCD緩沖電路，具體參數(shù)參見圖3所示。

3 實驗結(jié)果分析

根據(jù)以上設計方案，制作了一臺9路輸出的單端反激式變換器用作3KW光伏發(fā)電系統(tǒng)的輔助驅(qū)動電源，并進行相關(guān)實驗測試。圖4(a)、(b)分別是輸入電壓為125V和400V時的功率開關(guān)管驅(qū)動電壓PWM波形圖，從圖中可以看出，隨著輸入電壓的升高，功率開關(guān)管的驅(qū)動脈寬變窄，實現(xiàn)了輸出電壓的穩(wěn)定閉環(huán)控制。

(a)輸入電壓125V時開關(guān)管驅(qū)動電壓PWM波形圖

(b)輸入電壓400V時開關(guān)管驅(qū)動電壓PWM波形圖

圖5 反激變換器+5V輸出電壓波形圖

圖5為輸出電壓波形圖，由于篇幅限制，只給出了+5V的輸出電壓波形。從圖中可以看出，輸出電壓紋波<0.5%，滿足設計要求。

4 結(jié) 語

設計的單端反激變換器輔助電源實現(xiàn)了寬輸入范圍、多路隔離輸出，且具有體積小、可靠性高、輸出紋波小等優(yōu)點。該電源已在光伏發(fā)電系統(tǒng)中得到了應用，具有一定的經(jīng)濟實用價值。