單級獨立光伏發電系統研究

唐媛紅

摘要：提出了一種單級獨立光伏發電系統，該系統僅由蓄電池充電器和一級逆變器組成。充電器的運行采用了太陽能電池最大輸出功率點跟蹤與優化蓄電池充電電流相結合的控制策略，既充分利用了太陽能，又保護了蓄電池不受損壞，延長了使用壽命。逆變器采用了基于反激式DC/DC變換器的SPWM調制方法，同時實現了升壓和逆變，省去了蓄電池之后的一級DC/DC升壓變換器。通過實驗，證明了該單級獨立光伏發電系統電路具有良好的輸出特性，負載適應性好，運行可靠。

關鍵詞：光伏發電;蓄電池;逆變器;最大功率跟蹤

0 引言

光伏發電系統研究在20世紀70年代后受到全世界的高度重視，并取得了長足發展，對于緩解能源危機、減少環境污染以及減小溫室效應具有重要意義。光伏發電是指利用太陽能電池這種半導體器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉變為電能的直接發電方式，它有獨立運行和并網運行兩種方式。目前獨立運行的光伏發電系統普遍采用的是兩級變換系統，即首先利用太陽能電池把光能轉變成電能，再經過DC/DC充電器給蓄電池充電，蓄電池電壓較低，所以還需要再經過一級升壓DC/DC變換將直流電壓升高，最后再通過一級DC/AC逆變器將直流電轉化為交流電供用戶使用。如何盡量減少功率變換級數，減少功率器件，簡化系統結構來提高系統性能已成為人們研究的重點之一。本文提出了一種單級獨立光伏發電系統，不僅結構簡單，功率器件較少，而且系統在運行過程中既注重太陽能電池最大功率點的跟蹤，又考慮到了蓄電池的充放電特性。

1 系統結構及運行原理

1.1? ? 主電路構成

單級獨立光伏發電系統主電路拓撲如圖1所示。該系統由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構成的高頻變換器，VT2、VT4構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。陽光充足時，太陽能電池既給負載供電，又給蓄電池E充電;陽光不足或沒有陽光時，蓄電池自動釋放電能補充。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

開關管VTB開始導通，流過電感LB的電流線性增大，電感LB儲能。當VTB關斷時，在電感LB的自感電動勢及太陽能電池電動勢共同作用下，二極管VDB導通，太陽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可以改變太陽能電池輸送能量的大小，從而可以通過擾動VTB的占空比實現太陽能電池輸出功率的變化，并尋找出最大功率點（MPP）。DC/DC變換器的輸出端由于被蓄電池箝位，所以在進行占空比DB擾動尋找MPP期間可認為DC/DC變換器的輸出端電壓不變。于是，判斷輸出功率隨DB擾動的變化情況就轉化為判斷DC/DC變換器輸出電流隨DB擾動的變化。通過不斷改變VTB的占空比，直到Boost變換器的輸出電流達到最大，此刻就可認為太陽能電池的輸出功率達到最大。

如果對蓄電池的充放電控制不合理將導致蓄電池提前失效，所以對蓄電池的充放電管理尤為重要。蓄電池的工作狀態是通過檢測其端電壓和充電電流來確定。在蓄電池電壓低于過充電電壓的情況下，若蓄電池的充電電流小于設定的最大允許充電電流（一般為蓄電池容量的10%），則調用最大功率點追蹤（MPPT）程序調整VTB的占空比，使太陽能電池輸出最大功率;若充電電流大于設定的最大允許充電電流，則退出MPPT程序，進入電流控制環調整VTB的占空比，限制其電流不大于最大允許充電電流設定值。如果蓄電池電壓高于過充電電壓，則意味著進入了過充階段，蓄電池充電電流相應減小，在下一次循環到來時，實際的充電電流將會根據本次設定的最大充電電流進行充電，當充電電流下降到蓄電池容量的1%時，意味著蓄電池已經充滿，此后以此電流繼續充電，以便補償蓄電池的自放電。如果蓄電池電壓低于過放電電壓，則關閉逆變器。

1.3? ? 逆變器工作原理

逆變器采用高頻鏈SPWM調制來同時實現升壓和逆變，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，具體調制模式如圖2所示。在輸出電壓uo的正半周，VT3一直關斷，VT4一直導通，VT1、VT2高頻互補導通，電流io1可正可負，當io1>0時，逆變器工作在第Ⅰ象限，電源E向負載輸送能量。當VT1開始導通，變壓器初級電流上升，電感Lp1儲能增加，經過D1Ts時間，VT1關斷。當VT1關斷時，由于功率開關管的非理想性，VT2尚未導通，在這個死區時間，VD2續流，而后VT2真正開通，儲存在Lp1的能量通過次級電感Ls提供給負載。VT2經過（1-D1）Ts時間關斷，如果傳遞功率較大，則在VT2關斷后，VD2仍舊續流，再次開通VT1，VD2受反向電壓而關斷;如果傳遞功率較小，則在VT2開通期間，流過它的電流將很快下降到零，而后轉為反向流動，這種情況下關斷VT2，則VD1續流。逆變器工作在電感電流連續模式，則：

2 實驗驗證

利用仿真軟件MATLAB進行數據仿真，實驗參數設置如下：太陽能電池板的輸出開路電壓為43.5 V，在額定工作條件下的最大功率點所對應的電壓為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12 V、7 Ah的鉛酸蓄電池串連構成。逆變器開關頻率為50 kHz。圖3是測得的蓄電池充電電流變化曲線，從07：00—12：00逆變器處于半載運行狀態，12：00—16：00逆變器處于滿載運行狀態，16：00后逆變器繼續半載運行，大約17：00蓄電池端電壓達過充點電壓。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的能力。

3 結語

本文提出的單級獨立光伏發電系統，省去了蓄電池之后的一級DC/DC升壓變換器，結構簡單，成本低，在實現MPPT的同時，又實現了蓄電池的優化充電，既能最大限度地利用太陽能，又能延長電池的使用壽命。逆變器采用了SPWM調制，減小了變壓器的體積和重量。

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