后备式光伏发电系统的研究与设计

王韬

摘 要：后备式光伏发电可以自动控制并追踪太阳光，发挥出光伏电池的最大功率，从而实现蓄电池的充放电保护功能，可以确保功率变换器实现DC/DC 、DC/AC的变换，本文最后的实验结果也说明了此发电系统具备一定的可行性与实用性。

关键词：后备式；光伏发电系统；研究设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.154

1 后备式光伏发电系统构成

储能系统、发电系统、功率变换器以及负载等部分组成了后备式的光伏发电系统，其中储能系统主要将电能储蓄至蓄电池，且可以利用控制器实现蓄电池的充放保护。发电系统主要包括太阳能自动跟踪器以及光伏组件等组成，而功率变换器具备升压以及逆变等两种功能。

2 自动跟踪控制太阳光

经实验发现，在太阳能光伏发电过程中，具备自动跟踪装置光伏阵列的发电能量要远远高于固定式的发电设备，且自动跟踪设备的成本也更低。可以发现，跟踪太阳光不但可以充分利用太阳能性能，还可以降低系统的设计成本。为此，本文实验利用L298设计了跟踪驱动系统，并在此基础上采用了雙轴的跟踪模式。且光敏电阻R1、R2、R3以及R4的安装如图1所示。

早晨太阳光会直接照射在R8，此时OUT1与OUT2之间的直流电机并不会转动；随着太阳光的逐渐升起，光线会逐渐照射至R1，由L298的基本工作原理可知，此时直流电机启动，并利用齿轮减速控制光伏组件向西转动，当达到一定角度时，R1会被挡住，直流电机也会停止转动，这样不断循环直至太阳下山，R1与R8都不会在有光线照射，此时直流电机会出现反转，直至关闭行程开关。

3 控制储能系统及最大功率

储能系统的电路主要采用升压式的斩波电路，也可被称为Boost变换器，如图2所示。

控制光伏电池可以充分利用太阳能，以致光伏电池可以输出最大功率，其当前主要利用电压反馈法、增加电导法等进行控制。由Boost变换器的工作原理可知，改变光伏输出压的基础方法便是改变开关管占空比D，进而可以控制光伏电池的输出功率P。

为了求出最大功率，根据光伏系统中D与P的关系得出一维函数，具体如图3所示。

求单峰函数的极值也就是找出一维函数的极值点，此时应利用黄金分割法求解，计算比较黄金点的函数值，并缩小初始区间，找出区间内的两个对称点。设[Da，Db]为迭代区间，计算可知，当Db—Da=0时的功率最大，为Pa，且此时Pa=Pb。

4 设计功率变换器

本文中的光伏发电系统主要采用的是交流负载系统进行供电，因而蓄电池的输出功率应在48V至220V之间，此时功率变换器则完成电压的转换工作，首先将48V的直流电压升至360V，而后再将360V的电压逆变为220V的交流电压，在此变换过程中主要利用PWM的集成电路芯片。

（1）控制升压电路。升压电路中主要采用SG3525芯片结构，且输出级采用推挽输出方式，利用双通道进行输出，每个通道的驱动电流最大值为200毫安，具备软启动、锁定以及过压保护等功能。

（2）设计逆变电路。本系统中的逆变电路主要采用单相全桥电压型的电路系统，且利用逆变电源的专用芯片U296进行控制。且电路中使用了高频的变压器，以便应对开关管的隔离驱动问题，充分隔离功率变换器与电源设施，进而提升了光伏系统的抗干扰性能。具体情况如下图4所示。

5 实验及最终结论

为了验证后备式光伏发电系统的有效性，本文也进行了具体的实验分析，且具体参数分别为，最大功率为1kW；最大工作电流为5安；短路电流为5.5安；开路电压为45V；交流输出电压为220V/50Hz。

首先应制定自动跟踪控制表，根据当地太阳光的具体光照角度，使用太阳能电池的自动跟踪控制方法，制定出光伏的自动跟踪控制表，确保光伏电池在不同时刻都可以随时跟随太阳光。其次应控制光伏系统的最大功率点，此过程主要通过微控制器实现MPPT系统的控制功能。由实验结果可以看出，上述MPPT系统的控制方法可以快速适应外部环境变化，确保光伏发电系统运行稳定，保持良好的工作状态，并充分降低了最大功率点处，光伏器件发生功率振荡问题的几率。最后是功率变换器，根据交流负载供电电压的波形结构，实验期间采用逆变电路以及升压电路的示意结构，最终逆变器输出220V/50Hz的电压。

参考文献：

[1]张铁良，张颖媛.一种多功能分布式光伏发电系统的仿真和实验[J].智能电网，2014（08）.