5KW家用光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設計

張恩實

摘 要：本文對光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)進行了簡單介紹，對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的各個模塊進行了設計。包括光伏電池的原理與電池組件的設計、主電路設計、控制系統(tǒng)設計，主電路是由DC/DC變換部分和DC/AC變換部分組成，DC/DC包括電源電路、穩(wěn)壓電路，用于提升光伏電池的輸出電壓并使之穩(wěn)定不變;DC/AC包括逆變電路及其驅(qū)動信號發(fā)生電路;該設計簡單可靠，經(jīng)濟實惠，清潔無污染。

關鍵詞： 光伏并網(wǎng);最大功率點跟蹤控制;單相全橋逆變電路

5kw家用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機容量小，占地面積少，能合理利用照射到住所的太陽能，一定程度上緩解電網(wǎng)壓力并能補貼用電支出。設計這樣一個小型的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，需要準確計算太陽高度角、方位角、傾角，合理設計逆變電路，輸出滿足要求的穩(wěn)定的電壓。

1.主電路設計

從電路結構上來看可分為單級式與雙級式，較之單級式系統(tǒng)，雙級式系統(tǒng)多出DC/DC變換電路，對光伏電池輸出的直流電壓進行控制，在光照強度較低時可用來升壓變換。本系統(tǒng)采用有逆流的雙級式電路，包含電源電路、穩(wěn)壓電路、逆變電路，同時還應有濾波電容和控制電路。電流從光伏電池流出，經(jīng)過電源電路調(diào)節(jié)其電壓達到最大功率點，又經(jīng)穩(wěn)壓電路使之等效為直流電流源，再經(jīng)逆變電路進行逆變、濾波，得到工頻交流電并入電網(wǎng)。

2 系統(tǒng)設計方案

2.1 光伏電池的原理

光伏電池能夠?qū)⒐饽苻D換為電能的原理是光生伏打效應，光伏電池可以看作一大塊p-n結，當有光照時，p-n結吸收光能后內(nèi)部的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化產(chǎn)生一定電位差，多塊電池相連接時可產(chǎn)生較強的穩(wěn)定的電位差，當電池兩端接上負載，即可產(chǎn)生電動勢。

2.2光伏電池的電氣特性

太陽電池的電性能與溫度和光照有關，表面溫度上升，輸出功率降低，而當溫度保持不變時，輸出電流與光強輻照近似成正比輸出電壓受負載影響，最大輸出功率也近似成正比，若保持光照與溫度不變，則輸出電流也近似不變，因此此時可視其為電流源。

光伏電池的技術參數(shù)：

（1）短路電流（Isc） 給定光照強度下和溫度下的最大輸出電流

（2）開路電壓（Voc） 給定光照強度下和溫度下的最大輸出電牙

（3）最大功率點電流（Im）給定光照強度下和溫度下對應于最大功率點的電流

（4）最大功率點電壓（Vm）給定光照強度下和溫度下對應于最大功率點的電壓

（5）最大功率點功率（Pm）給定光照強度下和溫度下對應于最大功率點的最大功率

本系統(tǒng)選用電池型號為SE-250M，主要參數(shù)：

輸出功率250W

最佳工作電壓36V

最佳工作電流7.0A

短路電流7.3A

開路電壓48V

2.3 組件設計

本系統(tǒng)裝機容量5KW，故需要5K/250=20片電池板。當行列數(shù)相等時系統(tǒng)功率達到最大，故而采用5快串聯(lián)4快并聯(lián)的設計方案，光伏組件額定輸出電壓為180V，輸出電流為28A。

2.4 電源電路設計

在電池陣列后的斬波電路，以及開關管導通和關斷使得等效電路。前半部分為二極管和電感組成的特使電路，輸入端直接與太陽電池相連，因為電感充放電以及維持電流的特性，在充電時L1尾端電位低于L2，故兩個電感為并聯(lián)，而放電時L1尾端電位高于L2首端故兩電感為串聯(lián)，后半部分由開關管、二極管和電容構成，電容與電感的值極大。

這種電路比于一般的升壓斬波電路，積蓄和釋放的能量更多，能帶來更大幅度的變壓。假設開關管導通的時間為ton，關斷時間為toff，整個周期為T，占空比為d。導通時電感被充電由于L1末端電位低于L2，兩電感并聯(lián)，由于L1和L2的值相等，所以流經(jīng)兩電感的電流相等。關斷時，兩電感串聯(lián)并且電感和電源一起向負載和電容供電，電流無法瞬變?nèi)詾閕。電感和電容的值極大，并且導通關斷的時間極小，故而電容的電壓和流過電感的電流可認為是無變化的。因為電感在一個周期內(nèi)積蓄和釋放的能量必然是相等的。故有

2.5 穩(wěn)壓電路設計

實現(xiàn)電壓補償有多種方式，本系統(tǒng)采用在直流母線上串聯(lián)一個開關電源的方式，通過控制系統(tǒng)檢測電源電路的輸出電壓，計算需要提升的電壓值，調(diào)節(jié)占空比改變蓄電池的輸出電壓達到調(diào)節(jié)目的。為穩(wěn)壓電路，其輸入端與蓄電源電路的輸出端連接，輸出端與逆變電路相連接，經(jīng)過穩(wěn)壓電路后的輸出電壓可認為時不變的且符合逆變輸入的標準。

2.6 逆變電路設計

逆變電路的作用是將直流電變?yōu)榻涣麟姡鞠到y(tǒng)采用spwm驅(qū)動的電壓型單相全橋逆變電路。電路由四個開關管、二極管和電容、電感構成。輸入端的電容值極大，用于穩(wěn)定輸入電壓，四個開關管被分為兩組，Q1和Q4為一組，Q2和Q3為一組，每組由同一個驅(qū)動信號控制，兩組互補，二極管與開關管并聯(lián)防止電路逆流，輸出端的電感和電容構成LC低通濾波器。

spwm信號的產(chǎn)生是將正弦信號進行N等分，計算每一等分與的積分，使用與此積分相等的脈沖信號代替每一等分，并使脈沖中點與正弦信號每一等分的中點重合即可得到spwm信號。通常可采用三角波與正弦波比較相疊加所截取的脈沖信號得到spwm信號，三角波作為載波，與正弦信號通過電壓比較器進行比較所得的波形。

設積分器輸入電壓為Ux，則輸出電壓Uo為

同相輸入端電流近似為零因此的輸入電壓為

當同相輸入端電位高于反向端時比較器輸出反向，故而載波頻率為

主控芯片采用STM32F103RC。包含時鐘電路、復位電路等。用于產(chǎn)生電源電路和穩(wěn)壓電路的驅(qū)動信號，并判斷主系統(tǒng)當前狀態(tài)，完成最大功率點跟蹤控制、穩(wěn)壓補償控制。本文探討并設計了一個5kw家用并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。對光伏發(fā)電原理和光伏電池的等效電路做了簡單闡述，分析了家用并網(wǎng)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和前景，設計出一個簡單可靠、經(jīng)濟實惠、易于維修的系統(tǒng)。

參考文獻：

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[2]吳鑫. 戶用獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設計[D]. 華北電力大學，2018.