用于BIPV系统的直流变换器的研究

摘要：在建筑光伏一体化(BIPV)系统中，集中式能量变换结构以大面积光伏阵列为单位，当受到周围建筑物等形成的局部阴影影响时，其输出功率大大降低，且难以完成最大功率点跟踪(MPPT)。从电路拓扑结构出发，设计了一款直流模块式变换器，该变换器增益和能量转换效率较高。最后构建实验模型验证了变换器可行性。
关键词：变换器；建筑光伏一体化；直流模块；高增益

1 引言
太阳能光伏发电以其清洁性、可再生的优点受到普遍关注，并得到了飞速发展。然而，光伏组件的发电效率低而成本高，这在一定程度上限制了光伏发电的普及应用。建筑物具有大量的迎光面积，将光伏发电系统与建筑物有机结合可降低太阳能发电系统的成本以及系统在远距离电力传输过程中的电能损耗，缩短能量回收期等。

2 集中式系统电气结构及光伏阵列特性
2．1 集中式能量变换结构分析
集中式系统是将一定数量的光伏组件串联成一定电压等级的组件串，然后再将一定数量的组件串并联成一定容量等级的光伏阵列，后端再接直流控制器完成MPVF功能并进行一定的电压提升，从直流变换器出来后再接逆变器，完成DC／AC转换，供给电网或交流负载，如图1所示。

2．2 光伏阵列特性分析
在BIPV中，建筑物阴影、城市垃圾、飞鸟等难免会遮挡光伏阵列某一部分，引起阵列中被遮挡部分所在光伏组件通流能力下降，消耗未被遮挡光伏组件发出的功率，产生热斑效应，如果光伏组件输出功率很大，热斑的温度超过一定极限将会使组件上的焊点熔化并损坏栅线，从而导致该组件损坏。为避免热斑的产生，通常给每一块光伏组件并联一个旁路二极管，再将这样的并联组件串联成组件串，然后再将组件串并联，每一个并联的组件串上串联一个隔离二极管，如图2所示。

在Matlab／Simulink中模拟仿真4块峰值功率均为200 W的光伏组件两串两并构成的光伏阵列，图3a为4块组件温度25℃，光照强度1 000 W／m2时的输出功率曲线，图3b为某一块组件光照强度为100 W／m2(模拟受到阴影)时的输出功率曲线。
可见，当光伏阵列某一块组件受到阴影时，其输出功率大大减小，并且输出功率曲线呈现双峰的特性，存在局部最大功率点。
[p]
3 直流模块式电气结构及其电路拓扑
采用一种直流模块式能量变换结构，如图4所示，每个光伏组件都配备一个直流变换器，然后将这些相互独立的直流模块并联在直流母线上，构成一定的功率等级，后级再接逆变器进行统一的逆变并入电网或供给交流负载。

太阳能能量密度低，要求电力电子变换装置的主电路拓扑结构应尽量简单，以提高整个系统的效率。而在中小功率光伏系统中，除了Buck，Boost和Buck-Boost变换器3种基本直流变换器外，其他电路结构并不适用。基于这里的设计要求，直流变换器需进行大压差的升压，而具有升压功能的Boost电路具有输入电流连续、对电源电磁干扰相对较小、开关管发射极接地、驱动电路简单等优点，这里采用两级Boost电路串联的电路结构，如图5所示。

假设电路中电感和电容均很大，电流连续。则变换器输出电压Uo=Upv／[(1-D1)(1-D2)]，其中，D1，D2分别为开关管V1，V2的占空比；Upv为光伏组件输出电压。由Uo计算式可见，该电路具有较高的增益。其中前级Boost电路通过采集Upv和光伏组件输出电流Ipv完成MPPT控制：后级Boost电路通过采集直流母线电压U完成稳压控制。

4 直流变换器参数设计
设计的直流变换器输出额定电压35 V，输出直流母线电压350 V，开关频率20 kHz，输出电压纹波2％，变换器额定功率200 W。
4．1 储能电感设计
级联Boost电路中，两个电感的设计需保证电感流过峰值电流时不能饱和。设计过程为：①电感参数：L1=0．8 mH，IL1max=6．3 A；L2=1．9 mH，IL2max=2．2 A。均采用KS130-125A型铁硅铝磁芯，其起始磁导率μ=125，电感系数A=127，有效磁路长度l=8．15；②线圈匝数：L1采用内径0．63 mm的漆包线，其截面积为0．312 mm2，电流密度取1 000 A／cm2，采用多股并绕，则需要的并绕股数为2．22，取3股并绕，所需匝数，取80匝。最大直流偏置磁场强度H=0．4πNILmax／l=6．691 kA／m，磁芯直流磁通密度B=μoμH≈0．7 T1．05 T，在最大输入电流下，铁硅铝磁芯未饱和。同理，L2也采用0．63 mm的漆包线，采用2股并绕，匝数为126匝，B=0．5 T，在最大输入电流下磁芯未饱和。
4．2 其他器件的参数和选择
输入滤波电容Cin采用50μF／100 V电解电容；C1选择220μF／250 V电解电容，其两端并联一个1 mF／250 V陶瓷电容，以滤除高频及脉冲干扰信号；C2采用两个100μF／450 V电解电容串联，再并联一个1 mF／650 V陶瓷电容。选择IRFP460型MOSFET，其耐压值为500 V，耐流值为20 A，导通电阻为0．27 Ω。采用MUR15120型肖特基二极管，最大电流15 A，最大反向电压1 200 V。

5 实验
为验证提出的直流变换器性能，进行测试。Upv=35 V，800 Ω阻性负载。利用PIC16F877A作为控制器向V1，V2发出控制脉冲。占空比D从20％不断升高，当D=70％时，Uo达350 V，见图6a。为测试变换器的动态响应，给Upv一个由零到24 V的跳变，Uo由零跳变到约175 V，动态响应时间约0．1 s，动态响应见图6b。

在D=50％，60％，70％时，分别对变换器效率η进行了测试，变换器输出端接一个可变电阻负载R，测试结果如表1所示。

6 结论
为提高建筑光伏一体化系统发电效率，降低阴影对输出功率的影响，从电路结构出发设计了一款直流模块式变换器，直流模块式结构可大大消减阴影对系统的影响，提高发电效率。通过实验分析验证了直流变换器具有较高的增益和较短的动态响应时间，对提高建筑光伏一体化系统发电效率有重要意义。