基于氮化镓的光伏储能逆变系统的设计

曾庆武，陈建翔，陈鹏宇，黄子逸，邓明明

（长江大学 电子信息学院，湖北 荆州 434023）

0 引 言

在我国提出“碳中和”和“碳达峰”的大背景下，发展新能源发电，提高可再生能源占比和利用效率，已成为当下热点。太阳能作为新能源发电的重要一环，对缓解能源危机、环境污染等问题有着极其重大的意义。由于太阳能具有不稳定性、环境因素影响性大和不可持续等特点，造成夜间、光照强度低的情况下太阳能供电不足，用电器无法正常运行，而白天光照强度高的情况下，用电器正常运行，但是无法耗尽光伏电池产生的电能，造成了大量的资源浪费[1-3]。为解决上述问题以及平衡分布式能源产能和负载用能之间的能量关系，储能系统的接入尤为重要。接入的储能系统将多余的能量储存下来，构成一套光-储联合发供电系统，从而提高能量利用率和光伏电池发电的电能质量[4-7]。系统具有较高的功率波动缓冲抗性以维持系统能量的平衡，保证稳定运行的同时更加有效地利用自然资源，减少对环境的污染。相较于传统系统需要2 个DC-DC 变换器连接到直流母线上对负载进行能量供给，三端口变换器可集成分离的直流/直流（Direct Current/Direct Current，DC/DC），具有结构简单、元件数量少、成本低等优点[8-10]。在大功率、轻量化、高可靠的系统条件下，对使用的功率器件有较高的要求，而第三代宽禁带半导体氮化镓（GaN）功率器件满足了大功率、耐高温、抗恶劣环境以及耐高压等设计要求[11,12]。

1 光伏三端口储能逆变系统的设计方案

光伏三端口储能逆变系统的整体设计如图1所示。光伏三端口储能逆变系统的直流部分采用了一个三端口DC/DC变换器。该变换器由2个双向DC/DC变换器、蓄电池和单片机等元器件组合而成。文章定义最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制电路为主回路，双向DC/DC 能量转换电路为副回路[13]。主、副回路输出端并联，单片机控制主回路，通过MPPT 算法实现最大功率点跟踪，同时控制副回路，通过比例、积分和微分（Proportion Integral Differential，PID）算法使直流母线恒压。PWM 驱动电路的作用为控制功率开关管，使其按照需要的脉冲宽度，令双向DC-DC 电路正常运行并控制主电路所需要的输出量。此外，通过隔离式逆变器完成220 V输出[14,15]。

图1 整体设计

2 系统硬件设计

2.1 储能电感的选择

根据双向DC/DC 电路的工作状态可知，应保证电感电流处于连续工作状态，且电感电流达到峰值时不能达到饱和状态。电路中流入电感的电流由平均电流IL与纹波分量ΔiL两部分组成。当开关K 处于导通状态时，导通时间为ton，电感电流线性增加，纹波分量为

现假设电路内部无损耗，Boost 电路的输入功率等于输出功率，可记为

式中：Iin为光伏电池的平均输出电流，即为流入电感的电流。将Iin=IL代入式（2）得出的公式为

为保证电感电流的连续，电感的电流应满足

将式（1）和式（3）代入式（4）中，可得

由于电感存在饱和问题以及减小氮化镓金氧半场效晶体管在工作中的损耗问题，取纹波电流为

由式（1）、式（2）、式（3）和式（6）可得储能电感值，公式为

此设计采用的开关频率为17 kHz，由上述系统电路中的关系式可直接近似地获得储能电感L值的大小。考虑其设计成本和储能电感体积大小限制的问题，此系统的设计回路中储能电感L的值最大值通常仅约为470 μH。

2.2 输出电容的选择

针对此设计电路的基本工作原理进行了分析。当开关K 处于导通状态时，电容C 对负载进行供电，电流大小为IO；当开关断开时，二极管导通，电感L向负载供电，并向电容C 充电。当开关K 处于导通状态时，电容C 上的压降为

由此计算得出电容，公式为

为满足输出的纹波要求，滤波电容计算公式为

由式（10）可得，需要的电容大小选择1 880 μF，考虑成本比及体积大小采取用4 个470 μF 的电容并联连接。

2.3 氮化镓器件的优势

氮化镓功率器件是一种已经投入生产使用的第三代半导体材料，在电力电子领域被广泛使用。与传统的硅半导体相比，它拥有更高的禁带宽度、更小的导通电阻和驱动负荷，可使变换器体积更小、频率及效率更高。典型的氮化镓MOS 管具有驱动电压窄，阈值低的不足，易导致误驱动导通和栅极击穿等问题。此设计采用芯冠公司XG65T125PS1B 氮化镓MOS 管。该MOS 管具有易于使用、兼容标准驱动芯片的特点，减小了驱动控制电路的设计难度，并且拥有高的驱动频率，可以减少功率转换损耗，从而实现高频操作。

3 系统程序设计

3.1 程序主体流程

程序控制流程如图2 所示。系统通过STM32单片机进行模拟数字转换器（Analog To Digital Converter，ADC）采集，经过均值滤波，再将ADC采集的电压值进行处理，并通过PID 算法调节PWM1的占空比，驱动双向DC/DC 蓄电池充放电电路，实现逆变器输入端的稳压。当电压稳定后进行MPPT 算法，计算出PWM2 的占空比，驱动MPPT 控制电路，实现最大功率点跟踪。

图2 程序控制流程

3.2 MPPT 算法设计

本系统采用扰动观察法。比较最大功率点处的太阳能电池特性dP/dU，依据的理论公式为

（1）当dP＞dU时，工作点在最大功率点的左边，需要相应增加工作电压；

（2）当dP＜dU时，工作点在最大功率点的右边，需要适当减少工作电压；

（3）当dP=dU时，达到最大功率点。

扰动观察法的程序流程，如图3 所示。

图3 扰动观察法的程序流程

4 实验结果及分析

实验通过MATLAB/Simulink，对该系统进行仿真。仿真原理如图4 所示。

图4 MATLAB/Simulink 仿真

在标准光照强度阶段，输入输出能量基本平衡。双向DC/DC 能量转换电路电流约为0 A，直流母线电压稳定不变，光伏电池提供负载所需全部功率[16]。在标准光照强度减弱的阶段，光伏电池发电功率小于负载所需功率，此时蓄电池放电，作为负载的功率补充。在光照强度大幅增强阶段，光伏电池发电功率大于负载所需功率，此时蓄电池充电，多余功率流向蓄电池。

5 结 论

针对传统光伏发电系统中出现的能量损耗大、电能质量不高、系统稳定性不足等问题，对传统光伏发电系统结构进行了优化，并对控制策略优化方法进一步改进，以少量的元器件实现最大功率点跟踪、双向能量传输控制等功能。通过MATLAB/Simulink仿真验证理论分析的正确性和设计的可靠性，并将GaN 功率器件运用于电路，提高了电路的综合性能。