独立光伏发电系统参数设定的研究

贾华，付皎，张飞

（内蒙古科技大学，内蒙 古包头 014010）

JIA Hua,FU Jiao,ZHANG Fei

独立光伏发电系统参数设定的研究

贾华，付皎，张飞

（内蒙古科技大学，内蒙 古包头 014010）

独立光伏发电系统主电路器件晶体管和电容、电感参数值会对系统的稳定性造成一定的影响。采用多种算法匹配其参数值，并利用PSIM仿真软件，建立光伏电池、铅酸蓄电池和电动车模型。对系统中降压和升压DC/DC电路分别进行仿真，通过分析时域波形图，验证了方案的可行性和多种算法的正确性。阐述了主电路器件对系统稳定性的影响，为独立光伏发电系统主电路器件的设定提供理论依据。

光伏发电；主电路；电容电感；PSIM仿真

太阳能作为一种安全、节能、环保的新能源越来越受到人类的青睐。目前，国内太阳能的应用主要在以下几方面：农村和边远地区的独立光伏发电系统，通信和工业的并网发电应用等。但这些都处于试验阶段。制约太阳能光伏发电进一步发展的因素主要有高昂的制造成本和较低的转化效率和系统稳定性。光伏系统主电路的器件设定不当会严重降低系统的稳定性，为了有效地利用太阳能，必须进行相关参数的设定与研究。

1 独立光伏发电系统总设计

本文设计独立光伏发电系统给电动车充电。太阳能经电池板转化为电能，经DC/DC降压后给铅酸蓄电池提供电能，通过DC/DC升压电路变换后给电动车充电。系统的结构组成如图1所示，系统组成部分性能参数指标见表1。

2 主电路参数设定

利用PSIM软件分别对系统降压斩波电路和升压斩波电路进行仿真。在精度要求允许范围内，为方便主电路器件设定，减少计算量，将太阳电池等效为恒压源，铅酸蓄电池等效为感应电动势和电阻串联的电路模型。系统达到理想稳态阶段，计算等效的感应电动势值以及相应的电阻值。图2和图3为仿真电路图。

图1 独立光伏发电系统结构图

表1 系统性能指标参数

2.1 晶体管参数设定

Mosfet相比IGBT具有高抗雪崩能力，适用于小电流和高频开关，Mosfet的开关损耗与开关频率成正比。频率越高，要求外部元件如电感、电容值越低。综合整体电路转换效率及控制芯片的工作特性，设定Mosfet1、Mosfet2频率为10 kHz。DC/DC变换器中，为降低二极管功损，D1、D2选择具有超低正向压降的快速肖特基整流二极管[1]。

图2 降压电路图

图3 升压电路图

2.2 降压电路中电感电容参数设定

2.2.1 电感参数设定

电感L1、L2在降压电路中最主要的功能就是储能，直接影响蓄电池的输入电流。精确的电感参数值，可有效减少高次谐波成分，使纹波电流控制在最小允许范围内，降低能耗。电感工艺要求：有足够工作频率的磁芯材料；电感损耗导致的温升在允许范围内；电感中流过的直流电流必须设计在最大负载电流下不至于饱和。因此，根据上述条件采用三种不同的算法确定电感参数值[2]。

算法一：

算法二：

系统降压电路中电感设定的算法一和算法二本质相同，都是通过分析电路的动态、稳态、临界状态来设定。算法三通过分析纹波电流与电感的关系，采用实践经验值来设定。

2.2.2 电容参数设定

电容设定原则：一输出电容的容值；二输出电容的等效串联电阻（ESR）。陶瓷电容、聚合物电解电容的ESR低，优先选择[3]。

2.3 升压电路中电感电容参数设定

2.3.1 电感参数设定

算法二：

能量守恒分析：假定电感足够大，电流平直，电路达到稳态时，电感在Mos2导通期间吸收的能量与关断期间释放的能量相等[4]。

根据式（10）得临界电感值：

2.3.2 电容参数设定算法一：

算法二：

升压电路中电感的两种算法结果相差微小，算法一根据能量守恒和电感选取原则计算，算法二据能量守恒、电路状态分析计算。升压电路中电容的两种算法本质相同。

3 仿真分析

通过PSIM软件对独立光伏系统降压电路进行仿真。图4给出了三种算法下的降压仿真波形，表2为系统降压电路稳态时的电压、电流参数值及其纹波系数，验证了三种算法的可行性和正确性。图4（b）相对图4（a），纹波系数小，稳态精度高，对于本系统要求，图4（b）的参数值相对更精确。图5是独立光伏发电系统升压斩波电路的仿真波形图，同样验证了几种算法的正确性和可行性，图5（a）相对图5（b）输出时域波形纹波系数小，稳态精度高，参数值相对更精确。表3为系统升压电路达到稳态时的电压、电流参数值及其纹波系数。

图4 三种算法下的降压仿真波形

表2 系统降压电路稳态时的仿真参数

图5 升压斩波电路的仿真波形

表3 系统升压电路达到稳态时的仿真参数

4 总结

基于PSIM软件，对电容电感多种算法下不同参数进行仿真与分析，验证了这些算法的正确性。在降压电路里设定电感的算法三，相对前两种纹波系数小，稳态精度高，同样，升压电路中设定电感的算法一比算法二好。这些算法为独立光伏发电系统主电路的设定提供理论依据。

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2005.

[2]邱关源.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]陈伯时.浅谈电力电子技术和科学发展问题[J].电力电子技术，2009，43(5)：1.

[4]廖冬初，聂汉平.电力电子技术[M].武汉：华中科技大学出版社，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

内蒙古包头市科技局资助项目(01410304)

贾华(1963—)，男，内蒙古自治区人，硕士，副教授，主要研究方向为控制理论及应用。