獨立光伏發電系統參數設定的研究

賈華，付皎，張飛

（內蒙古科技大學，內蒙 古包頭 014010）

JIA Hua,FU Jiao,ZHANG Fei

獨立光伏發電系統參數設定的研究

賈華，付皎，張飛

（內蒙古科技大學，內蒙 古包頭 014010）

獨立光伏發電系統主電路器件晶體管和電容、電感參數值會對系統的穩定性造成一定的影響。采用多種算法匹配其參數值，并利用PSIM仿真軟件，建立光伏電池、鉛酸蓄電池和電動車模型。對系統中降壓和升壓DC/DC電路分別進行仿真，通過分析時域波形圖，驗證了方案的可行性和多種算法的正確性。闡述了主電路器件對系統穩定性的影響，為獨立光伏發電系統主電路器件的設定提供理論依據。

光伏發電；主電路；電容電感；PSIM仿真

太陽能作為一種安全、節能、環保的新能源越來越受到人類的青睞。目前，國內太陽能的應用主要在以下幾方面：農村和邊遠地區的獨立光伏發電系統，通信和工業的并網發電應用等。但這些都處于試驗階段。制約太陽能光伏發電進一步發展的因素主要有高昂的制造成本和較低的轉化效率和系統穩定性。光伏系統主電路的器件設定不當會嚴重降低系統的穩定性，為了有效地利用太陽能，必須進行相關參數的設定與研究。

1 獨立光伏發電系統總設計

本文設計獨立光伏發電系統給電動車充電。太陽能經電池板轉化為電能，經DC/DC降壓后給鉛酸蓄電池提供電能，通過DC/DC升壓電路變換后給電動車充電。系統的結構組成如圖1所示，系統組成部分性能參數指標見表1。

2 主電路參數設定

利用PSIM軟件分別對系統降壓斬波電路和升壓斬波電路進行仿真。在精度要求允許范圍內，為方便主電路器件設定，減少計算量，將太陽電池等效為恒壓源，鉛酸蓄電池等效為感應電動勢和電阻串聯的電路模型。系統達到理想穩態階段，計算等效的感應電動勢值以及相應的電阻值。圖2和圖3為仿真電路圖。

圖1 獨立光伏發電系統結構圖

表1 系統性能指標參數

2.1 晶體管參數設定

Mosfet相比IGBT具有高抗雪崩能力，適用于小電流和高頻開關，Mosfet的開關損耗與開關頻率成正比。頻率越高，要求外部元件如電感、電容值越低。綜合整體電路轉換效率及控制芯片的工作特性，設定Mosfet1、Mosfet2頻率為10 kHz。DC/DC變換器中，為降低二極管功損，D1、D2選擇具有超低正向壓降的快速肖特基整流二極管[1]。

圖2 降壓電路圖

圖3 升壓電路圖

2.2 降壓電路中電感電容參數設定

2.2.1 電感參數設定

電感L1、L2在降壓電路中最主要的功能就是儲能，直接影響蓄電池的輸入電流。精確的電感參數值，可有效減少高次諧波成分，使紋波電流控制在最小允許范圍內，降低能耗。電感工藝要求：有足夠工作頻率的磁芯材料；電感損耗導致的溫升在允許范圍內；電感中流過的直流電流必須設計在最大負載電流下不至于飽和。因此，根據上述條件采用三種不同的算法確定電感參數值[2]。

算法一：

算法二：

系統降壓電路中電感設定的算法一和算法二本質相同，都是通過分析電路的動態、穩態、臨界狀態來設定。算法三通過分析紋波電流與電感的關系，采用實踐經驗值來設定。

2.2.2 電容參數設定

電容設定原則：一輸出電容的容值；二輸出電容的等效串聯電阻（ESR）。陶瓷電容、聚合物電解電容的ESR低，優先選擇[3]。

2.3 升壓電路中電感電容參數設定

2.3.1 電感參數設定

算法二：

能量守恒分析：假定電感足夠大，電流平直，電路達到穩態時，電感在Mos2導通期間吸收的能量與關斷期間釋放的能量相等[4]。

根據式（10）得臨界電感值：

2.3.2 電容參數設定算法一：

算法二：

升壓電路中電感的兩種算法結果相差微小，算法一根據能量守恒和電感選取原則計算，算法二據能量守恒、電路狀態分析計算。升壓電路中電容的兩種算法本質相同。

3 仿真分析

通過PSIM軟件對獨立光伏系統降壓電路進行仿真。圖4給出了三種算法下的降壓仿真波形，表2為系統降壓電路穩態時的電壓、電流參數值及其紋波系數，驗證了三種算法的可行性和正確性。圖4（b）相對圖4（a），紋波系數小，穩態精度高，對于本系統要求，圖4（b）的參數值相對更精確。圖5是獨立光伏發電系統升壓斬波電路的仿真波形圖，同樣驗證了幾種算法的正確性和可行性，圖5（a）相對圖5（b）輸出時域波形紋波系數小，穩態精度高，參數值相對更精確。表3為系統升壓電路達到穩態時的電壓、電流參數值及其紋波系數。

圖4 三種算法下的降壓仿真波形

表2 系統降壓電路穩態時的仿真參數

圖5 升壓斬波電路的仿真波形

表3 系統升壓電路達到穩態時的仿真參數

4 總結

基于PSIM軟件，對電容電感多種算法下不同參數進行仿真與分析，驗證了這些算法的正確性。在降壓電路里設定電感的算法三，相對前兩種紋波系數小，穩態精度高，同樣，升壓電路中設定電感的算法一比算法二好。這些算法為獨立光伏發電系統主電路的設定提供理論依據。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術[M].4版.北京：機械工業出版社，2005.

[2]邱關源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]陳伯時.淺談電力電子技術和科學發展問題[J].電力電子技術，2009，43(5)：1.

[4]廖冬初，聶漢平.電力電子技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2007.

Research of setting parametersof independentphotovoltaic power generation system

The main circuitdevices parameters of independent photovoltaic power system,transistor,capacitor and inductor parameters,could influence the stability of system,using a variety of algorithm s to match the parameters and using PSIM simulation software to build photovoltaic cells,lead-acid battery and electric vehicle model.Buck and Boost DC/DC circuits in the system were respectively simulated,and through analyzing time-domain wave form, the feasibility of design scheme and the correctness of various algorithm s were verified.The influence ofmain circuit devices on system stabilization was presented,providing theoreticalbasis for the setting of independentphotovoltaic power system main circuitdevices.

photovoltaic power generation;main circuit;capacitance inductance;PSIM simulation

TM 91

A

1002-087 X(2014)05-0847-04

JIA Hua,FU Jiao,ZHANG Fei

2013-10-20

內蒙古包頭市科技局資助項目(01410304)

賈華(1963—)，男，內蒙古自治區人，碩士，副教授，主要研究方向為控制理論及應用。