單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

唐媛紅

摘要：提出了一種單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅由蓄電池充電器和一級(jí)逆變器組成。充電器的運(yùn)行采用了太陽(yáng)能電池最大輸出功率點(diǎn)跟蹤與優(yōu)化蓄電池充電電流相結(jié)合的控制策略，既充分利用了太陽(yáng)能，又保護(hù)了蓄電池不受損壞，延長(zhǎng)了使用壽命。逆變器采用了基于反激式DC/DC變換器的SPWM調(diào)制方法，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了升壓和逆變，省去了蓄電池之后的一級(jí)DC/DC升壓變換器。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，證明了該單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)電路具有良好的輸出特性，負(fù)載適應(yīng)性好，運(yùn)行可靠。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;蓄電池;逆變器;最大功率跟蹤

0 引言

光伏發(fā)電系統(tǒng)研究在20世紀(jì)70年代后受到全世界的高度重視，并取得了長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)于緩解能源危機(jī)、減少環(huán)境污染以及減小溫室效應(yīng)具有重要意義。光伏發(fā)電是指利用太陽(yáng)能電池這種半導(dǎo)體器件有效地吸收太陽(yáng)光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿闹苯影l(fā)電方式，它有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行兩種方式。目前獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用的是兩級(jí)變換系統(tǒng)，即首先利用太陽(yáng)能電池把光能轉(zhuǎn)變成電能，再經(jīng)過(guò)DC/DC充電器給蓄電池充電，蓄電池電壓較低，所以還需要再經(jīng)過(guò)一級(jí)升壓DC/DC變換將直流電壓升高，最后再通過(guò)一級(jí)DC/AC逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為交流電供用戶使用。如何盡量減少功率變換級(jí)數(shù)，減少功率器件，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)提高系統(tǒng)性能已成為人們研究的重點(diǎn)之一。本文提出了一種單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率器件較少，而且系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中既注重太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤，又考慮到了蓄電池的充放電特性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行原理

1.1? ? 主電路構(gòu)成

單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路拓?fù)淙鐖D1所示。該系統(tǒng)由Boost充電器、高頻變換器、高頻變壓器及周波變換器組成。Boost充電器為單向DC/DC變換器，它將太陽(yáng)能電池組件的寬范圍直流輸出電壓變換成滿足蓄電池充電及逆變器所需要的直流電。由VT1、VT3構(gòu)成的高頻變換器，VT2、VT4構(gòu)成的周波變換器及高頻變壓器T共同組成DC/AC雙向反激式逆變器，輸出220 V/50 Hz正弦交流電供用戶使用。陽(yáng)光充足時(shí)，太陽(yáng)能電池既給負(fù)載供電，又給蓄電池E充電;陽(yáng)光不足或沒(méi)有陽(yáng)光時(shí)，蓄電池自動(dòng)釋放電能補(bǔ)充。因此，蓄電池起到了削峰填谷的作用。

1.2? ? Boost充電器工作原理

開(kāi)關(guān)管VTB開(kāi)始導(dǎo)通，流過(guò)電感LB的電流線性增大，電感LB儲(chǔ)能。當(dāng)VTB關(guān)斷時(shí)，在電感LB的自感電動(dòng)勢(shì)及太陽(yáng)能電池電動(dòng)勢(shì)共同作用下，二極管VDB導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池把電能輸送給蓄電池E及逆變器。顯然，改變VTB的占空比DB可以改變太陽(yáng)能電池輸送能量的大小，從而可以通過(guò)擾動(dòng)VTB的占空比實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池輸出功率的變化，并尋找出最大功率點(diǎn)（MPP）。DC/DC變換器的輸出端由于被蓄電池箝位，所以在進(jìn)行占空比DB擾動(dòng)尋找MPP期間可認(rèn)為DC/DC變換器的輸出端電壓不變。于是，判斷輸出功率隨DB擾動(dòng)的變化情況就轉(zhuǎn)化為判斷DC/DC變換器輸出電流隨DB擾動(dòng)的變化。通過(guò)不斷改變VTB的占空比，直到Boost變換器的輸出電流達(dá)到最大，此刻就可認(rèn)為太陽(yáng)能電池的輸出功率達(dá)到最大。

如果對(duì)蓄電池的充放電控制不合理將導(dǎo)致蓄電池提前失效，所以對(duì)蓄電池的充放電管理尤為重要。蓄電池的工作狀態(tài)是通過(guò)檢測(cè)其端電壓和充電電流來(lái)確定。在蓄電池電壓低于過(guò)充電電壓的情況下，若蓄電池的充電電流小于設(shè)定的最大允許充電電流（一般為蓄電池容量的10%），則調(diào)用最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT）程序調(diào)整VTB的占空比，使太陽(yáng)能電池輸出最大功率;若充電電流大于設(shè)定的最大允許充電電流，則退出MPPT程序，進(jìn)入電流控制環(huán)調(diào)整VTB的占空比，限制其電流不大于最大允許充電電流設(shè)定值。如果蓄電池電壓高于過(guò)充電電壓，則意味著進(jìn)入了過(guò)充階段，蓄電池充電電流相應(yīng)減小，在下一次循環(huán)到來(lái)時(shí)，實(shí)際的充電電流將會(huì)根據(jù)本次設(shè)定的最大充電電流進(jìn)行充電，當(dāng)充電電流下降到蓄電池容量的1%時(shí)，意味著蓄電池已經(jīng)充滿，此后以此電流繼續(xù)充電，以便補(bǔ)償蓄電池的自放電。如果蓄電池電壓低于過(guò)放電電壓，則關(guān)閉逆變器。

1.3? ? 逆變器工作原理

逆變器采用高頻鏈SPWM調(diào)制來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)升壓和逆變，這樣不但取代了體積龐大的工頻升壓變壓器，而且省掉了DC/DC升壓變換，具體調(diào)制模式如圖2所示。在輸出電壓uo的正半周，VT3一直關(guān)斷，VT4一直導(dǎo)通，VT1、VT2高頻互補(bǔ)導(dǎo)通，電流io1可正可負(fù)，當(dāng)io1>0時(shí)，逆變器工作在第Ⅰ象限，電源E向負(fù)載輸送能量。當(dāng)VT1開(kāi)始導(dǎo)通，變壓器初級(jí)電流上升，電感Lp1儲(chǔ)能增加，經(jīng)過(guò)D1Ts時(shí)間，VT1關(guān)斷。當(dāng)VT1關(guān)斷時(shí)，由于功率開(kāi)關(guān)管的非理想性，VT2尚未導(dǎo)通，在這個(gè)死區(qū)時(shí)間，VD2續(xù)流，而后VT2真正開(kāi)通，儲(chǔ)存在Lp1的能量通過(guò)次級(jí)電感Ls提供給負(fù)載。VT2經(jīng)過(guò)（1-D1）Ts時(shí)間關(guān)斷，如果傳遞功率較大，則在VT2關(guān)斷后，VD2仍舊續(xù)流，再次開(kāi)通VT1，VD2受反向電壓而關(guān)斷;如果傳遞功率較小，則在VT2開(kāi)通期間，流過(guò)它的電流將很快下降到零，而后轉(zhuǎn)為反向流動(dòng)，這種情況下關(guān)斷VT2，則VD1續(xù)流。逆變器工作在電感電流連續(xù)模式，則：

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用仿真軟件MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真，實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：太陽(yáng)能電池板的輸出開(kāi)路電壓為43.5 V，在額定工作條件下的最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓為34.8 V，電流為4.89 A，功率為170 W。蓄電池組電壓為48 V，采用4節(jié)12 V、7 Ah的鉛酸蓄電池串連構(gòu)成。逆變器開(kāi)關(guān)頻率為50 kHz。圖3是測(cè)得的蓄電池充電電流變化曲線，從07：00—12：00逆變器處于半載運(yùn)行狀態(tài)，12：00—16：00逆變器處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，16：00后逆變器繼續(xù)半載運(yùn)行，大約17：00蓄電池端電壓達(dá)過(guò)充點(diǎn)電壓。由曲線圖可以看出，不僅蓄電池的最大充電電流得到了有效控制，而且太陽(yáng)能電池的能量也得到了充分利用。圖4是逆變器輸出電壓和輸出電流波形圖，表明逆變器具有良好的輸出特性及雙向傳輸?shù)哪芰Α?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出的單級(jí)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，省去了蓄電池之后的一級(jí)DC/DC升壓變換器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，在實(shí)現(xiàn)MPPT的同時(shí)，又實(shí)現(xiàn)了蓄電池的優(yōu)化充電，既能最大限度地利用太陽(yáng)能，又能延長(zhǎng)電池的使用壽命。逆變器采用了SPWM調(diào)制，減小了變壓器的體積和重量。

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