小型光伏发电系统电路设计

2016-03-12广东石油化工学院自动化系罗如山冼嘉豪陈金鹏

电子世界 2016年23期

关键词：蓄电池太阳能发电

广东石油化工学院自动化系罗如山冼嘉豪刘美陈金鹏

小型光伏发电系统电路设计

广东石油化工学院自动化系罗如山冼嘉豪刘美陈金鹏

对小型并网式光伏发电系统进行深入研究及硬件设计，通过设计直流斩波升压电路及逆变电路，在进行实验的基础上分析其存在的问题，设计一款小型的太阳能光伏发电系统。

光伏发电；直流升压；逆变电路

1.引言

太阳能资源是一种可再生能源，地球上每年接受的太阳能要比目前地球需求的能量大6000倍，而且太阳能资源在地球上分布广泛，不受各种地理因素的限制，只要有阳光的地方就可以使用光伏发电系统，其中基于光伏太阳能电池的太阳能发电技术在生活中的应用正日益扩大，通过充分利用到太阳能这一取之不尽的可再生能源，本项目通过设计一种小型光伏发电站，在实验的基础上，逐步用于生活当中，无论是对科学研究，还是对人类社会的可持续发展，都具有重要的意义。

2.光伏发电系统结构

光伏发电系统是由太阳能电池方阵，蓄电池组，充放电控制器，逆变器，交流配电柜，最大功率跟踪控制系统等设备组成。

2.1 太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，在有光照情况下，光伏电池吸收光能，电池两端出现不同性质电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。

太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。光伏设计可以按国际电工委员会标准要求（IEC：1215-1993）进行设计，采用多片单晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。该组件可用于户外光伏系统、固定光伏电站和联网光伏电站等。

2.2 逆变器

太阳能光伏电路的直接输出一般都是12V、24V或48V的直流电能。为能向使用220V交流的电气设备提供电能，需要将光伏发电所产生的直流电能转换成交流电能的形式，因此需要使用DC-AC逆变器。

2.3 交流配电柜

交流配电柜在光伏发电系统的主要作用实现配电与保护等功能，同时实现对备用电源及逆变器的切换功能，保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量、计费等功能。

2.4 蓄电池组

蓄电池组可以贮存太阳能，即电池方阵受光照时发出的电能。并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。

2.5 控制器系统

控制器系统是能防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。

由于相对于某一个固定放置的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，如果太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。世界上通用的太阳跟踪控制系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备复杂，非专业人士不能够随便操作。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳。

3.升压变换器设计

由于光伏系统产生的电压比较低，所以需要使用升压变换器。升压变换器工作原理是：首先控制开关器件导通当以此给电感储存能量，接下来通过电感上的感应电动势叠加电源电源，因此负载所得到的电压将会高于输入的电源电压。当开关器件关断的时候，电感电流降低，并且放出来的能量不会瞬间改变，因此就形成了左减右加的电动势。这就使得升压电路能够在储能元件电压高但光伏输出电压低状态下运行。同时电源也通过二极管向负载提供能量。V0＞Vin决定了升压变换器可以应用在蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。变换器可以运行在电感电流连续或断续状态。对于升压变压器是输出电压V0＞输入电压Vin。在升压斩波变换器中所用的电力电子元器件与降压式变换器相同，不同点是在于电路的拓扑结构不同。作为升压电感的Lf一般在输入侧。对于升压式变换器来说脉冲宽度调制依旧是全控开关管的控制方式。

因此升压斩波变换器的工作包含两个部分，每个部分的电路具有不同的形式。（1）开关管导通，Lf储能阶段，负载所需能量由Cf供给（电源此时不提供能量）。（2）开关管关断时，Lf，Cf同时向负载提供能量。所以。此工作状态为开关管和二极管轮流工作，当开关管导通时。当系统处于稳态时，所以，即流过二极管D的平均电流和负载电流相等。

图1 系统主电路图

图2 输出电压波形（19.1V,0.27A）

图3 场效应管栅极波形图

4.光伏并网发电系统设计

本项目所设计的的太阳能光伏发电系统分两部实现光伏系统并网如图1所示，包含了前级的直流斩波电路与后级的逆变电路。首先借助前级的直流斩波变换环节实现直流升压，通过升压斩波电路结合光伏阵列的工作点完成最大功率点的跟踪的要求。逆变环节通过使用电压型单相全桥逆变器进行直流变交流，控制输出电压的同时做频率跟踪，目的是让输出电压的频率和电网的交流电源频率一致。由于两个部分所实现的目的不同，而且控制的目标和方式都相对独立，因此可以分开各自设计，最后进行综合调试。本项目设计相对偏差的绝对值≤1，THD≤5%，具有欠电压保持功能，输出过流保护功能，实验波形如图2、图3所示。