賈華，付皎，張飛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙 古包頭 014010）

JIA Hua,FU Jiao,ZHANG Fei

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定的研究

賈華，付皎，張飛

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙 古包頭 014010）

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路器件晶體管和電容、電感參數(shù)值會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成一定的影響。采用多種算法匹配其參數(shù)值，并利用PSIM仿真軟件，建立光伏電池、鉛酸蓄電池和電動車模型。對系統(tǒng)中降壓和升壓DC/DC電路分別進(jìn)行仿真，通過分析時(shí)域波形圖，驗(yàn)證了方案的可行性和多種算法的正確性。闡述了主電路器件對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路器件的設(shè)定提供理論依據(jù)。

光伏發(fā)電；主電路；電容電感；PSIM仿真

太陽能作為一種安全、節(jié)能、環(huán)保的新能源越來越受到人類的青睞。目前，國內(nèi)太陽能的應(yīng)用主要在以下幾方面：農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，通信和工業(yè)的并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用等。但這些都處于試驗(yàn)階段。制約太陽能光伏發(fā)電進(jìn)一步發(fā)展的因素主要有高昂的制造成本和較低的轉(zhuǎn)化效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。光伏系統(tǒng)主電路的器件設(shè)定不當(dāng)會嚴(yán)重降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了有效地利用太陽能，必須進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定與研究。

1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)給電動車充電。太陽能經(jīng)電池板轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)DC/DC降壓后給鉛酸蓄電池提供電能，通過DC/DC升壓電路變換后給電動車充電。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，系統(tǒng)組成部分性能參數(shù)指標(biāo)見表1。

2 主電路參數(shù)設(shè)定

利用PSIM軟件分別對系統(tǒng)降壓斬波電路和升壓斬波電路進(jìn)行仿真。在精度要求允許范圍內(nèi)，為方便主電路器件設(shè)定，減少計(jì)算量，將太陽電池等效為恒壓源，鉛酸蓄電池等效為感應(yīng)電動勢和電阻串聯(lián)的電路模型。系統(tǒng)達(dá)到理想穩(wěn)態(tài)階段，計(jì)算等效的感應(yīng)電動勢值以及相應(yīng)的電阻值。圖2和圖3為仿真電路圖。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

表1 系統(tǒng)性能指標(biāo)參數(shù)

2.1 晶體管參數(shù)設(shè)定

Mosfet相比IGBT具有高抗雪崩能力，適用于小電流和高頻開關(guān)，Mosfet的開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比。頻率越高，要求外部元件如電感、電容值越低。綜合整體電路轉(zhuǎn)換效率及控制芯片的工作特性，設(shè)定Mosfet1、Mosfet2頻率為10 kHz。DC/DC變換器中，為降低二極管功損，D1、D2選擇具有超低正向壓降的快速肖特基整流二極管[1]。

圖2 降壓電路圖

圖3 升壓電路圖

2.2 降壓電路中電感電容參數(shù)設(shè)定

2.2.1 電感參數(shù)設(shè)定

電感L1、L2在降壓電路中最主要的功能就是儲能，直接影響蓄電池的輸入電流。精確的電感參數(shù)值，可有效減少高次諧波成分，使紋波電流控制在最小允許范圍內(nèi)，降低能耗。電感工藝要求：有足夠工作頻率的磁芯材料；電感損耗導(dǎo)致的溫升在允許范圍內(nèi)；電感中流過的直流電流必須設(shè)計(jì)在最大負(fù)載電流下不至于飽和。因此，根據(jù)上述條件采用三種不同的算法確定電感參數(shù)值[2]。

算法一：

算法二：

系統(tǒng)降壓電路中電感設(shè)定的算法一和算法二本質(zhì)相同，都是通過分析電路的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)、臨界狀態(tài)來設(shè)定。算法三通過分析紋波電流與電感的關(guān)系，采用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)值來設(shè)定。

2.2.2 電容參數(shù)設(shè)定

電容設(shè)定原則：一輸出電容的容值；二輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。陶瓷電容、聚合物電解電容的ESR低，優(yōu)先選擇[3]。

2.3 升壓電路中電感電容參數(shù)設(shè)定

2.3.1 電感參數(shù)設(shè)定

算法二：

能量守恒分析：假定電感足夠大，電流平直，電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感在Mos2導(dǎo)通期間吸收的能量與關(guān)斷期間釋放的能量相等[4]。

根據(jù)式（10）得臨界電感值：

2.3.2 電容參數(shù)設(shè)定算法一：

算法二：

升壓電路中電感的兩種算法結(jié)果相差微小，算法一根據(jù)能量守恒和電感選取原則計(jì)算，算法二據(jù)能量守恒、電路狀態(tài)分析計(jì)算。升壓電路中電容的兩種算法本質(zhì)相同。

3 仿真分析

通過PSIM軟件對獨(dú)立光伏系統(tǒng)降壓電路進(jìn)行仿真。圖4給出了三種算法下的降壓仿真波形，表2為系統(tǒng)降壓電路穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓、電流參數(shù)值及其紋波系數(shù)，驗(yàn)證了三種算法的可行性和正確性。圖4（b）相對圖4（a），紋波系數(shù)小，穩(wěn)態(tài)精度高，對于本系統(tǒng)要求，圖4（b）的參數(shù)值相對更精確。圖5是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)升壓斬波電路的仿真波形圖，同樣驗(yàn)證了幾種算法的正確性和可行性，圖5（a）相對圖5（b）輸出時(shí)域波形紋波系數(shù)小，穩(wěn)態(tài)精度高，參數(shù)值相對更精確。表3為系統(tǒng)升壓電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓、電流參數(shù)值及其紋波系數(shù)。

圖4 三種算法下的降壓仿真波形

表2 系統(tǒng)降壓電路穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真參數(shù)

圖5 升壓斬波電路的仿真波形

表3 系統(tǒng)升壓電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的仿真參數(shù)

4 總結(jié)

基于PSIM軟件，對電容電感多種算法下不同參數(shù)進(jìn)行仿真與分析，驗(yàn)證了這些算法的正確性。在降壓電路里設(shè)定電感的算法三，相對前兩種紋波系數(shù)小，穩(wěn)態(tài)精度高，同樣，升壓電路中設(shè)定電感的算法一比算法二好。這些算法為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路的設(shè)定提供理論依據(jù)。

[1]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]邱關(guān)源.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[3]陳伯時(shí).淺談電力電子技術(shù)和科學(xué)發(fā)展問題[J].電力電子技術(shù)，2009，43(5)：1.

[4]廖冬初，聶漢平.電力電子技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)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

內(nèi)蒙古包頭市科技局資助項(xiàng)目(01410304)

賈華(1963—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用。