一種大功率光伏模擬電源的設(shè)計(jì)

摘要：本文提出了一種大功率光伏模擬電源的設(shè)計(jì)方法，可以為500kW及以下功率等級(jí)的光伏逆變器提供模擬光伏特性的直流電源。該電源由萬(wàn)能斷路器、變壓器、整流電路、BUCK降壓電路組成。其中變壓器采用3繞組輸出且每個(gè)繞組的相序差15°，以減小注入電網(wǎng)的電流諧波。整流電路采用3組二極管全橋整流橋串聯(lián)，輸出直流電壓可達(dá)1000 V以上。BUCK降壓電路采用3橋臂并聯(lián)結(jié)構(gòu)，每相橋臂上管輪流導(dǎo)通，以減小直流輸出電壓紋波。采樣直流電壓和電流在FPGA中計(jì)算平均值，采用DSP作為主控制器，計(jì)算PV曲線并對(duì)直流電流做PI調(diào)節(jié)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所述光伏模擬電源能夠較好地模擬光伏電池特性曲線，適用于500kW光伏逆變器的MPPT功能測(cè)試。

引言

　　太陽(yáng)能是化石能源的主要替代能源之一，且清潔無(wú)污染、資源豐富。太陽(yáng)能發(fā)電是直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)變成電能，這是有效利用太陽(yáng)能的方主要形式。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及分布式發(fā)電系統(tǒng)。其中并網(wǎng)和分布式發(fā)電功率都已經(jīng)向大功率發(fā)展，一般都幾百千瓦到幾十兆瓦，甚至達(dá)到上百兆瓦。此系統(tǒng)使用的光伏陣列也經(jīng)過(guò)多級(jí)串并聯(lián)，同時(shí)所使用光伏逆變器功率等級(jí)也提高到了100kW~1MW。這就要求大功率的模擬光伏電源來(lái)模擬串并聯(lián)后光伏陣列，達(dá)到所需要的功率等級(jí)。給光伏逆變器提供直流供電，同時(shí)具有光伏電池的特性，完成對(duì)光伏逆變器性能的測(cè)試。

　　本文介紹了一種大功率光伏模擬電源，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列MPPT功能的模擬。

1 光伏電池工作原理

　　光伏電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積平面二極管，其等效的實(shí)際電路模型如圖1。

　　圖中R_L為外接負(fù)載電阻，U_L為負(fù)載電壓(即光伏電池的輸出電壓)，I_L為負(fù)載電流(即光伏電池輸出電流)。

　　I_sc代表光子在光伏電池中激發(fā)的電流，這個(gè)量取決于輻照度、電池的面積和本體的溫度。

　　I_VD(二極管電流)為通過(guò)P-N結(jié)的總擴(kuò)散電流。

　　R_s和R_sh為光伏電池固有電阻，R_s為串聯(lián)電阻，R_sh為旁路電阻。

　　根據(jù)圖1，可以得出負(fù)載電流I_L為

(1)

(2)

　　因?yàn)榇?lián)的R很小、并聯(lián)的Rsh很大，所以進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)，可以忽略不計(jì)，因此理想的光伏電池特性為

(3)

　　由公式(3)可以得出光伏電池的U-I特性曲線，如圖2所示。此曲線為光伏電池的外特性即輸出特性，這是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)。

　　可以根據(jù)U-I特性曲線繪制出功率和電壓P-U曲線，如圖3所示，以便于精確的確定最大功率點(diǎn)。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

　　大功率光伏模擬電源由萬(wàn)能斷路器Q1、變壓器T1、整流電路和BUCK降壓電路組成，如圖4所示。

　　其中變壓器為多抽頭輸入、3繞組輸出800kVA干式裂解變壓器，輸入抽頭可以選接三相420Vac、三相400Vac、三相380Vac;輸出3個(gè)繞組第一個(gè)繞組與第二個(gè)繞組相序相差15°，第二個(gè)繞組與第三個(gè)繞組相序相差15°，3個(gè)繞組額定輸出電壓都為270Vac。采用該種變壓器主要是為了減小整流電路對(duì)電網(wǎng)諧波的影響。

　　整流電路采取二極管半橋整流，本系統(tǒng)采用3個(gè)整流電路串聯(lián)結(jié)構(gòu)，用來(lái)將整流輸出電壓提高3倍。圖4中的V1、V2、V3為整流電路。

　　每個(gè)整流電路由3個(gè)熔斷器、3個(gè)整流模塊和濾波電容組成，如圖5所示。

　　本系統(tǒng)整流輸出最大電壓

(4)

　　其中K為變壓器變比，U_in為變壓器輸入電壓。

　　當(dāng)變壓器在額定電壓工作時(shí)，U_Rmax=1145Vdc。

　　BUCK降壓斬波電路由3組IGBT模塊(每個(gè)IGBT模塊由2個(gè)IGBT和2個(gè)反向二極管組成上下管)和3個(gè)電抗器組成。IGBT功率模塊G1和電抗器L1構(gòu)成一組降壓電路，同樣IGBT功率模塊G2和電抗器L2、IGBT功率模塊G3和電抗器L3構(gòu)成另外兩組降壓電路。3組降壓電路最終并聯(lián)到同一直流母排上，經(jīng)過(guò)電容濾波后完成并聯(lián)輸出。

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第35頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。