用于BIPV系統(tǒng)的直流變換器的研究

太陽能能量密度低，要求電力電子變換裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，以提高整個系統(tǒng)的效率。而在中小功率光伏系統(tǒng)中，除了Buck，Boost和Buck-Boost變換器3種基本直流變換器外，其他電路結(jié)構(gòu)并不適用?；谶@里的設(shè)計要求，直流變換器需進(jìn)行大壓差的升壓，而具有升壓功能的Boost電路具有輸入電流連續(xù)、對電源電磁干擾相對較小、開關(guān)管發(fā)射極接地、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點，這里采用兩級Boost電路串聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

假設(shè)電路中電感和電容均很大，電流連續(xù)。則變換器輸出電壓Uo=Upv／[(1-D1)(1-D2)]，其中，D1，D2分別為開關(guān)管V1，V2的占空比；Upv為光伏組件輸出電壓。由Uo計算式可見，該電路具有較高的增益。其中前級Boost電路通過采集Upv和光伏組件輸出電流Ipv完成MPPT控制：后級Boost電路通過采集直流母線電壓U完成穩(wěn)壓控制。

4 直流變換器參數(shù)設(shè)計
設(shè)計的直流變換器輸出額定電壓35 V，輸出直流母線電壓350 V，開關(guān)頻率20 kHz，輸出電壓紋波2％，變換器額定功率200 W。
4．1 儲能電感設(shè)計
級聯(lián)Boost電路中，兩個電感的設(shè)計需保證電感流過峰值電流時不能飽和。設(shè)計過程為：①電感參數(shù)：L1=0．8 mH，IL1max=6．3 A；L2=1．9 mH，IL2max=2．2 A。均采用KS130-125A型鐵硅鋁磁芯，其起始磁導(dǎo)率μ=125，電感系數(shù)A=127，有效磁路長度l=8．15；②線圈匝數(shù)：L1采用內(nèi)徑0．63 mm的漆包線，其截面積為0．312 mm2，電流密度取1 000 A／cm2，采用多股并繞，則需要的并繞股數(shù)為2．22，取3股并繞，所需匝數(shù)，取80匝。最大直流偏置磁場強(qiáng)度H=0．4πNILmax／l=6．691 kA／m，磁芯直流磁通密度B=μoμH≈0．7 T1．05 T，在最大輸入電流下，鐵硅鋁磁芯未飽和。同理，L2也采用0．63 mm的漆包線，采用2股并繞，匝數(shù)為126匝，B=0．5 T，在最大輸入電流下磁芯未飽和。
4．2 其他器件的參數(shù)和選擇
輸入濾波電容Cin采用50μF／100 V電解電容；C1選擇220μF／250 V電解電容，其兩端并聯(lián)一個1 mF／250 V陶瓷電容，以濾除高頻及脈沖干擾信號；C2采用兩個100μF／450 V電解電容串聯(lián)，再并聯(lián)一個1 mF／650 V陶瓷電容。選擇IRFP460型MOSFET，其耐壓值為500 V，耐流值為20 A，導(dǎo)通電阻為0．27 Ω。采用MUR15120型肖特基二極管，最大電流15 A，最大反向電壓1 200 V。

5 實驗
為驗證提出的直流變換器性能，進(jìn)行測試。Upv=35 V，800 Ω阻性負(fù)載。利用PIC16F877A作為控制器向V1，V2發(fā)出控制脈沖。占空比D從20％不斷升高，當(dāng)D=70％時，Uo達(dá)350 V，見圖6a。為測試變換器的動態(tài)響應(yīng)，給Upv一個由零到24 V的跳變，Uo由零跳變到約175 V，動態(tài)響應(yīng)時間約0．1 s，動態(tài)響應(yīng)見圖6b。

在D=50％，60％，70％時，分別對變換器效率η進(jìn)行了測試，變換器輸出端接一個可變電阻負(fù)載R，測試結(jié)果如表1所示。

6 結(jié)論
為提高建筑光伏一體化系統(tǒng)發(fā)電效率，降低陰影對輸出功率的影響，從電路結(jié)構(gòu)出發(fā)設(shè)計了一款直流模塊式變換器，直流模塊式結(jié)構(gòu)可大大消減陰影對系統(tǒng)的影響，提高發(fā)電效率。通過實驗分析驗證了直流變換器具有較高的增益和較短的動態(tài)響應(yīng)時間，對提高建筑光伏一體化系統(tǒng)發(fā)電效率有重要意義。