太阳能光伏电源的研究与优化设计

李泽鸣 李江峰 胡 锐 焦冬莉 宋雪玮

（安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

太阳能光伏电源的研究与优化设计

李泽鸣 李江峰 胡 锐 焦冬莉 宋雪玮

（安徽工程大学电气工程学院，安徽 芜湖 241000）

针对目前太阳能光伏电源普遍存在的成本高，效率低的现状，本文针对性地从逆变器的拓扑结构、蓄电池容量设计和最大功率跟踪等几个方面进行了详细分析，并完成了系统性的优化设计。

光伏电源；拓扑结构；逆变器

0 引言

太阳能光伏发电被誉为21世纪最具潜力的绿色产业之一，在全球能源供需紧张、生态环境遭到严重破坏、环境质量急剧恶化的大背景下，随着人们环保意识增强以及国家政策扶持等利好因素的推动下，具有独特优势和巨大开发利用潜力的太阳能光伏发电以其建站周期短、维护简便、无须消耗燃料、能量取之不尽用之不竭等特点，越来越受到人们的青睐。然而目前在降低成本、提高效率方面仍是非常值得我们研究的课题。本文拟从逆变器的拓扑结构、蓄电池容量和最大功率点跟踪几个方面对其进行系统的分析和设计。光伏系统的基本组成如图1所示。

图1 光伏发电系统的基本组成

1 逆变器的拓扑结构设计

1.1 升压环节拓扑结构比较

升压环节实际上是DC-DC开关电源，DC-DC变换器的拓扑很多，但我们采用的DC-DC变换器是作为逆变电源的直流升压环节，需要有电气隔离。

（1）正激式。电路拓扑简单，但是这种拓扑结构有许多不足之处。首先只能适合低压输入电路。其次，主功率管一般采用占空比小于0.5。再次，变压器工艺水平的高低将直接影响到电路的性能。

（2）推挽式。电路结构简单，但电路必须有良好的对称，适合低压大电流场合。

（3）全桥式。功率器件较多，控制及驱动较复杂，适合大功率场合。

（4）反激式。电路形式与正激式变换器相似，主功率管的承受的电压也相同，只是变压器的接法不同。从输出端看，反激式是电流源，不能开路。

综合本文选择推挽变换方式。推挽电路结构简单，适用于低压大电流的场合，满足独立光伏系统的要求。

图2 逆变电源系统结构图

1.2 光伏发电逆变电源的系统结构

如图2为逆变电源系统结构图。输入的直流信号经过直流升压后滤波，得到高压直流，再经过逆变电路输出交流。直流升压采用推挽电路，工作频率在50kHz，升压变压器采用高频磁芯材料，因而体积小、重量轻；高频逆变后经过高频变压器变成高频交流电，再经高频整流滤波电路得到350V高压直流电。后级采用单相全桥逆变电路，采用SPWM控制，再通过滤波电路得到220V/50Hz交流输出。

2 控制电路设计

升压环节主电路如图3所示。由推挽逆变电路、输出整流滤波电路、控制电路以及保护电路构成。

图3 升压环节主电路

2.1 变压器设计

变压器设计的步骤是根据总的输出功率初步选定磁芯。本文先初步选定特定的磁芯、峰值磁通密度和工作频率，然后来计算输出功率。如果输出功率不足，则增大磁芯，然后重新计算直到得到所需的输出功率。选定磁芯后，计算原副边匝数，确定绕线规格。

2.2 功率的选择

推挽电路中开关管承受的最高稳态电压为两倍的最大输入电压VDsMmax=2×28=56V，考虑到变压器漏感引起的电压尖峰的影响，一般要考虑一个系数k，这里取为1.3，即选择的MOSFET的电压必须大于1.3×56=72.8V。一般在低压时选择MOSFET。一般允许电压峰值时的电流峰值为最大值的3倍，即为55.56×3=166.7A。查资料选用IXYS公司的IXFN230N10，其参数如下:VDSS=100V,ID=230A,RDS=0.00652，to＜250ns

3 蓄电池选择与设计

太阳能光伏系统的储能装置主要是蓄电池，且蓄电池通常工作在浮充状态下，其电压随发电量与用电量的变化而变化，考虑到发电量、环境温度及光照天数等的影响，目前广泛采用的是铅酸免维护蓄电池。

蓄电池的容量设计：

目前常用的蓄电池容量计算方法有以下两种：

（1）电压控制法

按事故状态下直流负荷消耗的安时值计算容量，并按事故放电末期或其他不利条件下检验直流母线电压水平。

（2）电流换算法

按事故状态下直流负荷电流和放电时间来计算容量。该方法相对于电压控制法，考虑了大电流放电后负荷减小的情况下，电池具有恢复容量的特性，该算法不需对电池容量进行电压校验。

本文采用容量换算法计算容量，取电压系数为0.885，则计算单个电池的放电终止电压为：

因此，蓄电池容量的计算公式为：

式中 CS为事故放电容量；KCC为容量系数；Krel为可靠系数，一般取1.40。

4 最大功率跟踪设计

影响光伏逆变效率的两个主要原因：一是在将直流电流转换成交流正弦波时，功率半导体发热会导致产生损失，但通过改进开关电路的设计，可使这一损失减至最低。二是凭借逆变器的控制经验来提高效率。本文采用恒定电压跟踪法

因光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。

CVT控制的优点是：控制简单，易实现，可靠性高；系统不会出现振荡，有很好的稳定性；可以方便地通过硬件实现。控制流程图如图4所示：

5 结论

图4 采用CVT控制的控制流程图

本文从理论上分析了太阳能光伏电源的普遍特性，并针对性地进行了优化设计，在实际应用过程中，光伏电源的设计还要求考虑到实际需要来合理的选择太阳能电池组件、蓄电池、逆变器、控制器和汇流盒等部件，才能更充分的体现节能与环保。

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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

杨玉洁］