5 kW家用光伏并網發電系統設計

陳 晨，張 偉

（南京國電南自電網自動化有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引 言

我國工業發展對能源的需求極大，環境污染和能源短缺已經直接威脅到我國的可持續發展。并且，我國許多偏遠貧困地區的人們還無法用上電，這些客觀條件要求更加努力地尋找和開發新能源，而太陽能光伏發電就是其中之一。

1 光伏發電的優點與存在的問題

太陽能是一種可再生的清潔能源，合理利用太陽能可改善環境壓力和溫室效應，而且光伏發電系統結構簡單，易于維護且使用壽命長。

我國的光伏發電產業發展迅速，但也因此出現了產能過剩的問題，并且整個行業缺乏協調性。光伏器件和稀有金屬成本很高，高精度硅的生產技術仍為西方國家所掌握，我國每年需進口大量高純度硅。此外，光伏發電受天氣和地理位置影響較大，并且發電效率遠低于火電、水電以及核電等傳統發電技術[1-3]。

2 系統設計方案

2.1 系統總體模型

由光伏電池的原理可知，在恒定光照和溫度下，光伏電池可視為電流源和二極管的并聯，其效率與負載電壓有關，并且在光照溫度變化的情況下電池的輸出電流不是恒定值，為滿足最大效率需要對電池外接電路進行變換，以達到最大功率點，因此電源電路中的DC/DC模塊設計必不可少。穩壓電路的作用是將電源電路的輸出電壓提升或降低至逆變所需的電壓，同時還應使輸出電壓穩定在額定值。因為電源電路輸出的電壓隨光照溫度的變化而變化，所以需要升壓電路進行升壓或降壓以達到穩壓。對于逆變電路的設計，本系統采用了PWM式單相全橋逆變電路，通過調制波形得到與工頻正弦波相等效的脈沖，再經濾波可得標準正弦波[4]。調制方法與控制方法都更為簡單。

控制電路包含主控芯片、時鐘電路、復位電路、三角波發生電路、正弦波發生電路、PWM放大輸出電路以及信號采樣器，主控芯片實時監測母線電壓和電流，調節電源電路和升壓電路中的開關管控制負載功率和輸出電壓。三角波作為PWM的載波和正弦信號共同產生逆變電路開關管的驅動信號。

2.2 光伏電池組件設計

2.2.1 光伏電池的原理

光伏電池能夠將光能轉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PN結，當有光照時，PN結吸收光能后內部的載流子分布狀態和濃度發生變化產生一定電位差，多塊電池相連接時可產生較強的穩定的電位差，當電池兩端接上負載，即可產生電動勢。

2.2.2 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[5-7]。

2.2.3 組件設計

本系統裝機容量為5 kW，故需要50 00/250=20片電池板。當行列數相等時，系統功率達到最大，故而采用5片串聯4片并聯的設計方案，光伏組件額定輸出電壓為180 V，輸出電流為28 A。同時還應對每一塊光伏電池設計防反二極管和旁路二極管，以防止電流逆流損壞電池板，此外對整個系統還需采取一定的避雷措施，以免被雷擊損壞造成安全威脅。

2.3 電源電路設計

電源電路作用是控制光伏電池的輸出電壓，完成最大功率點跟蹤控制。

通過對光伏電池的原理分析可知，光伏電池工作于任一環境下均可視為電流源，輸出電流幾乎不受外界影響，所以隨著輸出電壓的升高，輸出功率也會提升，則此時必然存在一個最大功率點。同時光伏電池的輸出阻抗隨負載變化而變化，當電池組的輸出阻抗等于負載阻抗時，輸出功率最大。因此可以用升壓斬波電路控制輸出端，使其成為一個電壓可控的開關電源，修改占空比達到改變輸出電壓從而使電池工作于最大功率點的目的[8]。

圖1和圖2是接在電池陣列后的斬波電路以及開關管導通和關斷時的等效電路。前半部分為二極管和電感組成的電路，輸入端直接與太陽電池相連，電感具有充放電和維持電流的特性，在充電時L1尾端電位低于L2，故兩個電感為并聯，而放電時L1尾端電位高于L2首端，故兩電感為串聯，后半部分由開關管、二極管以及電容構成，電容與電感的值極大。

圖1 電源電路

圖2 導通和關斷等效電路

這種電路相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，因為L1和L2的值相等，所以流經兩電感的電流相等，即I=2I1。關斷時，兩電感串聯并且電感和電源一起向負載和電容供電，電流無法瞬變仍為I。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積蓄和釋放的能量必然是相等的，所以有：

2.4 穩壓電路設計

由光伏電池的性質可知，在環境溫度和光照輻射不變的情況下，光伏電池可視為電流源，其電壓隨負載變化，但現實中光照條件環境溫度是不斷變化的，此時光伏電池既非電流源也非電壓源。穩壓電路的目的是將電源電路輸出的電壓進行升壓或降壓，使得直流母線上的電壓穩定在額定值上，否則逆變器所輸出的波形會發生畸變。

實現電壓補償有多種方式，本系統采用在直流母線上串聯一個開關電源的方式，通過控制系統檢測電源電路的輸出電壓計算需要提升的電壓值，調節占空比，改變蓄電池的輸出電壓達到調節目的[9,10]。圖3為穩壓電路，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，經過穩壓電路后的輸出電壓可認為是不變的且符合逆變輸入的標準。

圖3 穩壓電路

如圖3可見，其前半部分為電感，后半部分為開關管、二極管以及電容，電感和電容的值極大，開關周期極短，因此開關瞬間電感上的電流和電容兩端的電壓無變化，電感積蓄的能量等于其放出的能量，故有：

2.5 逆變電路設計

逆變電路的作用是將直流電變為交流電，本系統采用SPWM驅動的電壓型單相全橋逆變電路如圖4。電路由4個開關管、二極管和電容、電感構成。輸入端的電容值極大，用于穩定輸入電壓，4個開關管被分為兩組，Q1和Q4為一組，Q2和Q3為一組，每組由同一個驅動信號控制，兩組互補，二極管與開關管并聯防止電路逆流，輸出端的電感和電容構成LC低通濾波器。

圖4 逆變電路

開關管1和4為一組，2和3為一組，其通斷由SPWM信號所控制。SPWM信號為與正弦信號等價的寬度不同的脈沖信號，其調制的基本原理為沖量定理。沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環節上時，其作用基本相同。

SPWM信號的產生是將正弦信號進行N等分，計算每一等分的積分，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。

3 結 論

本文探討并設計了一個5 kW家用并網光伏發電系統，對光伏發電原理和光伏電池的等效電路做了簡單闡述，分析了家用并網光伏發電的現狀和前景，設計出一個簡單可靠、經濟實惠且易于維修的系統。