单级独立光伏发电系统研究

唐媛红

摘要：提出了一种单级独立光伏发电系统，该系统仅由蓄电池充电器和一级逆变器组成。充电器的运行采用了太阳能电池最大输出功率点跟踪与优化蓄电池充电电流相结合的控制策略，既充分利用了太阳能，又保护了蓄电池不受损坏，延长了使用寿命。逆变器采用了基于反激式DC/DC变换器的SPWM调制方法，同时实现了升压和逆变，省去了蓄电池之后的一级DC/DC升压变换器。通过实验，证明了该单级独立光伏发电系统电路具有良好的输出特性，负载适应性好，运行可靠。

关键词：光伏发电;蓄電池;逆变器;最大功率跟踪

0 引言

光伏发电系统研究在20世纪70年代后受到全世界的高度重视，并取得了长足发展，对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要意义。光伏发电是指利用太阳能电池这种半导体器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变为电能的直接发电方式，它有独立运行和并网运行两种方式。目前独立运行的光伏发电系统普遍采用的是两级变换系统，即首先利用太阳能电池把光能转变成电能，再经过DC/DC充电器给蓄电池充电，蓄电池电压较低，所以还需要再经过一级升压DC/DC变换将直流电压升高，最后再通过一级DC/AC逆变器将直流电转化为交流电供用户使用。如何尽量减少功率变换级数，减少功率器件，简化系统结构来提高系统性能已成为人们研究的重点之一。本文提出了一种单级独立光伏发电系统，不仅结构简单，功率器件较少，而且系统在运行过程中既注重太阳能电池最大功率点的跟踪，又考虑到了蓄电池的充放电特性。

1 系统结构及运行原理

1.1    主电路构成

单级独立光伏发电系统主电路拓扑如图1所示。该系统由Boost充电器、高频变换器、高频变压器及周波变换器组成。Boost充电器为单向DC/DC变换器，它将太阳能电池组件的宽范围直流输出电压变换成满足蓄电池充电及逆变器所需要的直流电。由VT1、VT3构成的高频变换器，VT2、VT4构成的周波变换器及高频变压器T共同组成DC/AC双向反激式逆变器，输出220 V/50 Hz正弦交流电供用户使用。阳光充足时，太阳能电池既给负载供电，又给蓄电池E充电;阳光不足或没有阳光时，蓄电池自动释放电能补充。因此，蓄电池起到了削峰填谷的作用。

1.2    Boost充电器工作原理

开关管VTB开始导通，流过电感LB的电流线性增大，电感LB储能。当VTB关断时，在电感LB的自感电动势及太阳能电池电动势共同作用下，二极管VDB导通，太阳能电池把电能输送给蓄电池E及逆变器。显然，改变VTB的占空比DB可以改变太阳能电池输送能量的大小，从而可以通过扰动VTB的占空比实现太阳能电池输出功率的变化，并寻找出最大功率点（MPP）。DC/DC变换器的输出端由于被蓄电池箝位，所以在进行占空比DB扰动寻找MPP期间可认为DC/DC变换器的输出端电压不变。于是，判断输出功率随DB扰动的变化情况就转化为判断DC/DC变换器输出电流随DB扰动的变化。通过不断改变VTB的占空比，直到Boost变换器的输出电流达到最大，此刻就可认为太阳能电池的输出功率达到最大。

如果对蓄电池的充放电控制不合理将导致蓄电池提前失效，所以对蓄电池的充放电管理尤为重要。蓄电池的工作状态是通过检测其端电压和充电电流来确定。在蓄电池电压低于过充电电压的情况下，若蓄电池的充电电流小于设定的最大允许充电电流（一般为蓄电池容量的10%），则调用最大功率点追踪（MPPT）程序调整VTB的占空比，使太阳能电池输出最大功率;若充电电流大于设定的最大允许充电电流，则退出MPPT程序，进入电流控制环调整VTB的占空比，限制其电流不大于最大允许充电电流设定值。如果蓄电池电压高于过充电电压，则意味着进入了过充阶段，蓄电池充电电流相应减小，在下一次循环到来时，实际的充电电流将会根据本次设定的最大充电电流进行充电，当充电电流下降到蓄电池容量的1%时，意味着蓄电池已经充满，此后以此电流继续充电，以便补偿蓄电池的自放电。如果蓄电池电压低于过放电电压，则关闭逆变器。

1.3    逆变器工作原理

逆变器采用高频链SPWM调制来同时实现升压和逆变，这样不但取代了体积庞大的工频升压变压器，而且省掉了DC/DC升压变换，具体调制模式如图2所示。在输出电压uo的正半周，VT3一直关断，VT4一直导通，VT1、VT2高频互补导通，电流io1可正可负，当io1>0时，逆变器工作在第Ⅰ象限，电源E向负载输送能量。当VT1开始导通，变压器初级电流上升，电感Lp1储能增加，经过D1Ts时间，VT1关断。当VT1关断时，由于功率开关管的非理想性，VT2尚未导通，在这个死区时间，VD2续流，而后VT2真正开通，储存在Lp1的能量通过次级电感Ls提供给负载。VT2经过（1-D1）Ts时间关断，如果传递功率较大，则在VT2关断后，VD2仍旧续流，再次开通VT1，VD2受反向电压而关断;如果传递功率较小，则在VT2开通期间，流过它的电流将很快下降到零，而后转为反向流动，这种情况下关断VT2，则VD1续流。逆变器工作在电感电流连续模式，则：

2 实验验证

利用仿真软件MATLAB进行数据仿真，实验参数设置如下：太阳能电池板的输出开路电压为43.5 V，在额定工作条件下的最大功率点所对应的电压为34.8 V，电流为4.89 A，功率为170 W。蓄电池组电压为48 V，采用4节12 V、7 Ah的铅酸蓄电池串连构成。逆变器开关频率为50 kHz。图3是测得的蓄电池充电电流变化曲线，从07：00—12：00逆变器处于半载运行状态，12：00—16：00逆变器处于满载运行状态，16：00后逆变器继续半载运行，大约17：00蓄电池端电压达过充点电压。由曲线图可以看出，不仅蓄电池的最大充电电流得到了有效控制，而且太阳能电池的能量也得到了充分利用。图4是逆变器输出电压和输出电流波形图，表明逆变器具有良好的输出特性及双向传输的能力。

3 结语

本文提出的单级独立光伏发电系统，省去了蓄电池之后的一级DC/DC升压变换器，结构简单，成本低，在实现MPPT的同时，又实现了蓄电池的优化充电，既能最大限度地利用太阳能，又能延长电池的使用寿命。逆变器采用了SPWM调制，减小了变压器的体积和重量。

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