5 kW家用光伏并网发电系统设计

陈 晨，张 伟

（南京国电南自电网自动化有限公司，江苏 南京 211100）

0 引 言

我国工业发展对能源的需求极大，环境污染和能源短缺已经直接威胁到我国的可持续发展。并且，我国许多偏远贫困地区的人们还无法用上电，这些客观条件要求更加努力地寻找和开发新能源，而太阳能光伏发电就是其中之一。

1 光伏发电的优点与存在的问题

太阳能是一种可再生的清洁能源，合理利用太阳能可改善环境压力和温室效应，而且光伏发电系统结构简单，易于维护且使用寿命长。

我国的光伏发电产业发展迅速，但也因此出现了产能过剩的问题，并且整个行业缺乏协调性。光伏器件和稀有金属成本很高，高精度硅的生产技术仍为西方国家所掌握，我国每年需进口大量高纯度硅。此外，光伏发电受天气和地理位置影响较大，并且发电效率远低于火电、水电以及核电等传统发电技术[1-3]。

2 系统设计方案

2.1 系统总体模型

由光伏电池的原理可知，在恒定光照和温度下，光伏电池可视为电流源和二极管的并联，其效率与负载电压有关，并且在光照温度变化的情况下电池的输出电流不是恒定值，为满足最大效率需要对电池外接电路进行变换，以达到最大功率点，因此电源电路中的DC/DC模块设计必不可少。稳压电路的作用是将电源电路的输出电压提升或降低至逆变所需的电压，同时还应使输出电压稳定在额定值。因为电源电路输出的电压随光照温度的变化而变化，所以需要升压电路进行升压或降压以达到稳压。对于逆变电路的设计，本系统采用了PWM式单相全桥逆变电路，通过调制波形得到与工频正弦波相等效的脉冲，再经滤波可得标准正弦波[4]。调制方法与控制方法都更为简单。

控制电路包含主控芯片、时钟电路、复位电路、三角波发生电路、正弦波发生电路、PWM放大输出电路以及信号采样器，主控芯片实时监测母线电压和电流，调节电源电路和升压电路中的开关管控制负载功率和输出电压。三角波作为PWM的载波和正弦信号共同产生逆变电路开关管的驱动信号。

2.2 光伏电池组件设计

2.2.1 光伏电池的原理

光伏电池能够将光能转换为电能的原理是光生伏打效应，光伏电池可以看作一大块PN结，当有光照时，PN结吸收光能后内部的载流子分布状态和浓度发生变化产生一定电位差，多块电池相连接时可产生较强的稳定的电位差，当电池两端接上负载，即可产生电动势。

2.2.2 光伏电池的电气特性

太阳电池的电性能与温度和光照有关，表面温度上升，输出功率降低，而当温度保持不变时，输出电流与光强辐照近似成正比，输出电压受负载影响，最大输出功率也近似成正比。若保持光照与温度不变，则输出电流也近似不变，因此此时可视其为电流源[5-7]。

2.2.3 组件设计

本系统装机容量为5 kW，故需要50 00/250=20片电池板。当行列数相等时，系统功率达到最大，故而采用5片串联4片并联的设计方案，光伏组件额定输出电压为180 V，输出电流为28 A。同时还应对每一块光伏电池设计防反二极管和旁路二极管，以防止电流逆流损坏电池板，此外对整个系统还需采取一定的避雷措施，以免被雷击损坏造成安全威胁。

2.3 电源电路设计

电源电路作用是控制光伏电池的输出电压，完成最大功率点跟踪控制。

通过对光伏电池的原理分析可知，光伏电池工作于任一环境下均可视为电流源，输出电流几乎不受外界影响，所以随着输出电压的升高，输出功率也会提升，则此时必然存在一个最大功率点。同时光伏电池的输出阻抗随负载变化而变化，当电池组的输出阻抗等于负载阻抗时，输出功率最大。因此可以用升压斩波电路控制输出端，使其成为一个电压可控的开关电源，修改占空比达到改变输出电压从而使电池工作于最大功率点的目的[8]。

图1和图2是接在电池阵列后的斩波电路以及开关管导通和关断时的等效电路。前半部分为二极管和电感组成的电路，输入端直接与太阳电池相连，电感具有充放电和维持电流的特性，在充电时L1尾端电位低于L2，故两个电感为并联，而放电时L1尾端电位高于L2首端，故两电感为串联，后半部分由开关管、二极管以及电容构成，电容与电感的值极大。

图1 电源电路

图2 导通和关断等效电路

这种电路相比于一般的升压斩波电路，积蓄和释放的能量更多，能带来更大幅度的变压。假设开关管导通的时间为ton，关断时间为toff，整个周期为T，占空比为d。导通时电感被充电，由于L1末端电位低于L2，两电感并联，因为L1和L2的值相等，所以流经两电感的电流相等，即I=2I1。关断时，两电感串联并且电感和电源一起向负载和电容供电，电流无法瞬变仍为I。电感和电容的值极大，并且导通关断的时间极小，故而电容的电压和流过电感的电流可认为是无变化的。因为电感在一个周期内积蓄和释放的能量必然是相等的，所以有：

2.4 稳压电路设计

由光伏电池的性质可知，在环境温度和光照辐射不变的情况下，光伏电池可视为电流源，其电压随负载变化，但现实中光照条件环境温度是不断变化的，此时光伏电池既非电流源也非电压源。稳压电路的目的是将电源电路输出的电压进行升压或降压，使得直流母线上的电压稳定在额定值上，否则逆变器所输出的波形会发生畸变。

实现电压补偿有多种方式，本系统采用在直流母线上串联一个开关电源的方式，通过控制系统检测电源电路的输出电压计算需要提升的电压值，调节占空比，改变蓄电池的输出电压达到调节目的[9,10]。图3为稳压电路，其输入端与蓄电源电路的输出端连接，输出端与逆变电路相连接，经过稳压电路后的输出电压可认为是不变的且符合逆变输入的标准。

图3 稳压电路

如图3可见，其前半部分为电感，后半部分为开关管、二极管以及电容，电感和电容的值极大，开关周期极短，因此开关瞬间电感上的电流和电容两端的电压无变化，电感积蓄的能量等于其放出的能量，故有：

2.5 逆变电路设计

逆变电路的作用是将直流电变为交流电，本系统采用SPWM驱动的电压型单相全桥逆变电路如图4。电路由4个开关管、二极管和电容、电感构成。输入端的电容值极大，用于稳定输入电压，4个开关管被分为两组，Q1和Q4为一组，Q2和Q3为一组，每组由同一个驱动信号控制，两组互补，二极管与开关管并联防止电路逆流，输出端的电感和电容构成LC低通滤波器。

图4 逆变电路

开关管1和4为一组，2和3为一组，其通断由SPWM信号所控制。SPWM信号为与正弦信号等价的宽度不同的脉冲信号，其调制的基本原理为冲量定理。冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其作用基本相同。

SPWM信号的产生是将正弦信号进行N等分，计算每一等分的积分，使用与此积分相等的脉冲信号代替每一等分，并使脉冲中点与正弦信号每一等分的中点重合即可得到SPWM信号。通常可采用三角波与正弦波比较相叠加所截取的脉冲信号得到SPWM信号，三角波作为载波，与正弦信号通过电压比较器进行比较所得的波形。

3 结 论

本文探讨并设计了一个5 kW家用并网光伏发电系统，对光伏发电原理和光伏电池的等效电路做了简单阐述，分析了家用并网光伏发电的现状和前景，设计出一个简单可靠、经济实惠且易于维修的系统。