基于氮化鎵的光伏儲能逆變系統的設計

曾慶武，陳建翔，陳鵬宇，黃子逸，鄧明明

（長江大學 電子信息學院，湖北 荊州 434023）

0 引 言

在我國提出“碳中和”和“碳達峰”的大背景下，發展新能源發電，提高可再生能源占比和利用效率，已成為當下熱點。太陽能作為新能源發電的重要一環，對緩解能源危機、環境污染等問題有著極其重大的意義。由于太陽能具有不穩定性、環境因素影響性大和不可持續等特點，造成夜間、光照強度低的情況下太陽能供電不足，用電器無法正常運行，而白天光照強度高的情況下，用電器正常運行，但是無法耗盡光伏電池產生的電能，造成了大量的資源浪費[1-3]。為解決上述問題以及平衡分布式能源產能和負載用能之間的能量關系，儲能系統的接入尤為重要。接入的儲能系統將多余的能量儲存下來，構成一套光-儲聯合發供電系統，從而提高能量利用率和光伏電池發電的電能質量[4-7]。系統具有較高的功率波動緩沖抗性以維持系統能量的平衡，保證穩定運行的同時更加有效地利用自然資源，減少對環境的污染。相較于傳統系統需要2 個DC-DC 變換器連接到直流母線上對負載進行能量供給，三端口變換器可集成分離的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC），具有結構簡單、元件數量少、成本低等優點[8-10]。在大功率、輕量化、高可靠的系統條件下，對使用的功率器件有較高的要求，而第三代寬禁帶半導體氮化鎵（GaN）功率器件滿足了大功率、耐高溫、抗惡劣環境以及耐高壓等設計要求[11,12]。

1 光伏三端口儲能逆變系統的設計方案

光伏三端口儲能逆變系統的整體設計如圖1所示。光伏三端口儲能逆變系統的直流部分采用了一個三端口DC/DC變換器。該變換器由2個雙向DC/DC變換器、蓄電池和單片機等元器件組合而成。文章定義最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制電路為主回路，雙向DC/DC 能量轉換電路為副回路[13]。主、副回路輸出端并聯，單片機控制主回路，通過MPPT 算法實現最大功率點跟蹤，同時控制副回路，通過比例、積分和微分（Proportion Integral Differential，PID）算法使直流母線恒壓。PWM 驅動電路的作用為控制功率開關管，使其按照需要的脈沖寬度，令雙向DC-DC 電路正常運行并控制主電路所需要的輸出量。此外，通過隔離式逆變器完成220 V輸出[14,15]。

圖1 整體設計

2 系統硬件設計

2.1 儲能電感的選擇

根據雙向DC/DC 電路的工作狀態可知，應保證電感電流處于連續工作狀態，且電感電流達到峰值時不能達到飽和狀態。電路中流入電感的電流由平均電流IL與紋波分量ΔiL兩部分組成。當開關K 處于導通狀態時，導通時間為ton，電感電流線性增加，紋波分量為

現假設電路內部無損耗，Boost 電路的輸入功率等于輸出功率，可記為

式中：Iin為光伏電池的平均輸出電流，即為流入電感的電流。將Iin=IL代入式（2）得出的公式為

為保證電感電流的連續，電感的電流應滿足

將式（1）和式（3）代入式（4）中，可得

由于電感存在飽和問題以及減小氮化鎵金氧半場效晶體管在工作中的損耗問題，取紋波電流為

由式（1）、式（2）、式（3）和式（6）可得儲能電感值，公式為

此設計采用的開關頻率為17 kHz，由上述系統電路中的關系式可直接近似地獲得儲能電感L值的大小。考慮其設計成本和儲能電感體積大小限制的問題，此系統的設計回路中儲能電感L的值最大值通常僅約為470 μH。

2.2 輸出電容的選擇

針對此設計電路的基本工作原理進行了分析。當開關K 處于導通狀態時，電容C 對負載進行供電，電流大小為IO；當開關斷開時，二極管導通，電感L向負載供電，并向電容C 充電。當開關K 處于導通狀態時，電容C 上的壓降為

由此計算得出電容，公式為

為滿足輸出的紋波要求，濾波電容計算公式為

由式（10）可得，需要的電容大小選擇1 880 μF，考慮成本比及體積大小采取用4 個470 μF 的電容并聯連接。

2.3 氮化鎵器件的優勢

氮化鎵功率器件是一種已經投入生產使用的第三代半導體材料，在電力電子領域被廣泛使用。與傳統的硅半導體相比，它擁有更高的禁帶寬度、更小的導通電阻和驅動負荷，可使變換器體積更小、頻率及效率更高。典型的氮化鎵MOS 管具有驅動電壓窄，閾值低的不足，易導致誤驅動導通和柵極擊穿等問題。此設計采用芯冠公司XG65T125PS1B 氮化鎵MOS 管。該MOS 管具有易于使用、兼容標準驅動芯片的特點，減小了驅動控制電路的設計難度，并且擁有高的驅動頻率，可以減少功率轉換損耗，從而實現高頻操作。

3 系統程序設計

3.1 程序主體流程

程序控制流程如圖2 所示。系統通過STM32單片機進行模擬數字轉換器（Analog To Digital Converter，ADC）采集，經過均值濾波，再將ADC采集的電壓值進行處理，并通過PID 算法調節PWM1的占空比，驅動雙向DC/DC 蓄電池充放電電路，實現逆變器輸入端的穩壓。當電壓穩定后進行MPPT 算法，計算出PWM2 的占空比，驅動MPPT 控制電路，實現最大功率點跟蹤。

圖2 程序控制流程

3.2 MPPT 算法設計

本系統采用擾動觀察法。比較最大功率點處的太陽能電池特性dP/dU，依據的理論公式為

（1）當dP＞dU時，工作點在最大功率點的左邊，需要相應增加工作電壓；

（2）當dP＜dU時，工作點在最大功率點的右邊，需要適當減少工作電壓；

（3）當dP=dU時，達到最大功率點。

擾動觀察法的程序流程，如圖3 所示。

圖3 擾動觀察法的程序流程

4 實驗結果及分析

實驗通過MATLAB/Simulink，對該系統進行仿真。仿真原理如圖4 所示。

圖4 MATLAB/Simulink 仿真

在標準光照強度階段，輸入輸出能量基本平衡。雙向DC/DC 能量轉換電路電流約為0 A，直流母線電壓穩定不變，光伏電池提供負載所需全部功率[16]。在標準光照強度減弱的階段，光伏電池發電功率小于負載所需功率，此時蓄電池放電，作為負載的功率補充。在光照強度大幅增強階段，光伏電池發電功率大于負載所需功率，此時蓄電池充電，多余功率流向蓄電池。

5 結 論

針對傳統光伏發電系統中出現的能量損耗大、電能質量不高、系統穩定性不足等問題，對傳統光伏發電系統結構進行了優化，并對控制策略優化方法進一步改進，以少量的元器件實現最大功率點跟蹤、雙向能量傳輸控制等功能。通過MATLAB/Simulink仿真驗證理論分析的正確性和設計的可靠性，并將GaN 功率器件運用于電路，提高了電路的綜合性能。