用于BIPV系統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撲結構應盡量簡單，以提高整個系統的效率。而在中小功率光伏系統中，除了Buck，Boost和Buck-Boost變換器3種基本直流變換器外，其他電路結構并不適用。基于這里的設計要求，直流變換器需進行大壓差的升壓，而具有升壓功能的Boost電路具有輸入電流連續、對電源電磁干擾相對較小、開關管發射極接地、驅動電路簡單等優點，這里采用兩級Boost電路串聯的電路結構，如圖5所示。

假設電路中電感和電容均很大，電流連續。則變換器輸出電壓Uo=Upv／[(1-D1)(1-D2)]，其中，D1，D2分別為開關管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完成穩壓控制。

4 直流變換器參數設計
設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 儲能電感設計
級聯Boost電路中，兩個電感的設計需保證電感流過峰值電流時不能飽和。設計過程為：①電感參數：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，其起始磁導率μ=125，電感系數A=127，有效磁路長度l=8．15；②線圈匝數：L1采用內徑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，則需要的并繞股數為2．22，取3股并繞，所需匝數，取80匝。最大直流偏置磁場強度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，再并聯一個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，進行測試。Upv=35 V，800 Ω阻性負載。利用PIC16F877A作為控制器向V1，V2發出控制脈沖。占空比D從20％不斷升高，當D=70％時，Uo達350 V，見圖6a。為測試變換器的動態響應，給Upv一個由零到24 V的跳變，Uo由零跳變到約175 V，動態響應時間約0．1 s，動態響應見圖6b。

在D=50％，60％，70％時，分別對變換器效率η進行了測試，變換器輸出端接一個可變電阻負載R，測試結果如表1所示。

6 結論
為提高建筑光伏一體化系統發電效率，降低陰影對輸出功率的影響，從電路結構出發設計了一款直流模塊式變換器，直流模塊式結構可大大消減陰影對系統的影響，提高發電效率。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響應時間，對提高建筑光伏一體化系統發電效率有重要意義。