5KW家用光伏并网发电系统设计

张恩实

摘 要：本文对光伏发电产业进行了简单介绍，对光伏并网发电系统的各个模块进行了设计。包括光伏电池的原理与电池组件的设计、主电路设计、控制系统设计，主电路是由DC/DC变换部分和DC/AC变换部分组成，DC/DC包括电源电路、稳压电路，用于提升光伏电池的输出电压并使之稳定不变;DC/AC包括逆变电路及其驱动信号发生电路;该设计简单可靠，经济实惠，清洁无污染。

关键词： 光伏并网;最大功率点跟踪控制;单相全桥逆变电路

5kw家用并网光伏发电系统，装机容量小，占地面积少，能合理利用照射到住所的太阳能，一定程度上缓解电网压力并能补贴用电支出。设计这样一个小型的并网发电系统，需要准确计算太阳高度角、方位角、倾角，合理设计逆变电路，输出满足要求的稳定的电压。

1.主电路设计

从电路结构上来看可分为单级式与双级式，较之单级式系统，双级式系统多出DC/DC变换电路，对光伏电池输出的直流电压进行控制，在光照强度较低时可用来升压变换。本系统采用有逆流的双级式电路，包含电源电路、稳压电路、逆变电路，同时还应有滤波电容和控制电路。电流从光伏电池流出，经过电源电路调节其电压达到最大功率点，又经稳压电路使之等效为直流电流源，再经逆变电路进行逆变、滤波，得到工频交流电并入电网。

2 系统设计方案

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p-n结，当有光照时，p-n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。

光伏电池的技术参数：

（1）短路电流（Isc） 给定光照强度下和温度下的最大输出电流

（2）开路电压（Voc） 给定光照强度下和温度下的最大输出电牙

（3）最大功率点电流（Im）给定光照强度下和温度下对应于最大功率点的电流

（4）最大功率点电压（Vm）给定光照强度下和温度下对应于最大功率点的电压

（5）最大功率点功率（Pm）给定光照强度下和温度下对应于最大功率点的最大功率

本系统选用电池型号为SE-250M，主要参数：

输出功率250W

最佳工作电压36V

最佳工作电流7.0A

短路电流7.3A

开路电压48V

2.3 组件设计

本系统装机容量5KW，故需要5K/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快串联4快并联的设计方案，光伏组件额定输出电压为180V，输出电流为28A。

2.4 电源电路设计

在电池阵列后的斩波电路，以及开关管导通和关断使得等效电路。前半部分为二极管和电感组成的特使电路，输入端直接与太阳电池相连，因为电感充放电以及维持电流的特性，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、二极管和电容构成，电容与电感的值极大。

这种电路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，由于L1和L2的值相等，所以流经两电感的电流相等。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。故有

2.5 稳压电路设计

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。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时不变的且符合逆变输入的标准。

2.6 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。电路由四个开关管、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，四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。

spwm信号的产生是将正弦信号进行N等分，计算每一等分与的积分，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。

设积分器输入电压为Ux，则输出电压Uo为

同相输入端电流近似为零因此的输入电压为

当同相输入端电位高于反向端时比较器输出反向，故而载波频率为

主控芯片采用STM32F103RC。包含時钟电路、复位电路等。用于产生电源电路和稳压电路的驱动信号，并判断主系统当前状态，完成最大功率点跟踪控制、稳压补偿控制。本文探讨并设计了一个5kw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、易于维修的系统。

参考文献：

[1]刘建发. 分布式光伏发电站的并网控制及其系统设计[J]. 缔客世界，2020，6（10）：66-67.

[2]吴鑫. 户用独立光伏发电系统设计[D]. 华北电力大学，2018.