一種小型光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計

李紹武

(湖北民族學(xué)院科技學(xué)院，湖北恩施445000)

太陽能作為清潔可再生能源，廣泛地存在于各地，特別是中國的偏遠(yuǎn)農(nóng)村地區(qū)，這為我國的光伏發(fā)電應(yīng)用推廣提供了前提，以解決目前我國電能短缺和太陽能利用嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀.同時，傳統(tǒng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)存在分散接入導(dǎo)致的整體控制與優(yōu)化困難、電網(wǎng)波動時負(fù)載供電質(zhì)量不穩(wěn)定以及用戶安裝、擴展和維護困難等問題.然而，光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)一定程度彌補了傳統(tǒng)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的上述缺陷，因此在目前的光伏發(fā)電研究和應(yīng)用中越來越被人們重視［1－7］.本文正是在此背景下，設(shè)計了一種光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以單片機為控制中心，以普通家庭用戶群為服務(wù)對象，以用戶的安裝擴展“即插即用”和用電發(fā)電“隨時隨地”為設(shè)計理念，很大程度上實現(xiàn)了分布式光伏發(fā)電和微電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢互補，為光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用提供了一種參考模型.

1 整體功能設(shè)計

設(shè)計時，該光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)所考慮的功能特點主要包括:

1)系統(tǒng)的光伏發(fā)電部分應(yīng)該具有“即插即用”功能，以方便用戶安裝、擴展和維修;

2)微電網(wǎng)內(nèi)的任意用戶可以“隨時隨地”并入該微網(wǎng)進行用電和發(fā)電操作;

3)必須確保微電網(wǎng)內(nèi)的用戶用電的穩(wěn)定性.

對于功能1)，將光伏陣列、DC/DC轉(zhuǎn)換器以及控制器集成為光伏發(fā)電模塊是實現(xiàn)光伏發(fā)電部分“即插即用”功能的有效方式［8］.這樣，既可以減少主控制器的電路規(guī)模、控制負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟成本，也可以方便用戶的安裝、擴展和維護.用戶可以方便地根據(jù)自身的經(jīng)濟情況決定光伏發(fā)電模塊的數(shù)量，特別是隨著經(jīng)濟實力的增強，可以方便地進行擴展.另外，模塊化的設(shè)計對系統(tǒng)的維護也帶來了方便，用戶可以方便地將“問題”模塊拆下來送到維修點進行維修，并在維修后裝回系統(tǒng).對于功能2)，在微電網(wǎng)中設(shè)置必要的DC母線［9］或AC母線是解決用戶用電發(fā)電“隨時隨地”的有效方式.對于功能3)，保證微電網(wǎng)內(nèi)用戶用電的穩(wěn)定性是設(shè)計的重中之重，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)受天氣影響一般很難保證供電穩(wěn)定性，因此將光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)是解決供電穩(wěn)定性的有效方式，這樣便可以將市電網(wǎng)的穩(wěn)定性與微電網(wǎng)的靈活性進行優(yōu)勢互補.

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)第1節(jié)中描述的系統(tǒng)功能要求，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示.該系統(tǒng)主要由光伏發(fā)電模塊、DC母線、儲能單元、逆變器、AC母線、并網(wǎng)模塊和主控制器等組成.其中，光伏發(fā)電模塊由光伏板、DC/DC變換器(Boost型)和最大功率跟蹤控制器(MPPT1～MPPTn)組成，完成光能到電能的轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)功率控制;DC母線主要提供一定區(qū)域內(nèi)光伏發(fā)電模塊的聯(lián)接通道，從而實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量集中管理和控制，同時該母線還可實現(xiàn)光伏發(fā)電模塊的“即插即用”，為發(fā)電容量的調(diào)整提供方便;儲能單元由蓄電池組組成，主要實現(xiàn)電能的合理存放，以實現(xiàn)電能應(yīng)用的優(yōu)化;逆變器實現(xiàn)直流電到交流電的變換，以滿足并網(wǎng)和交流用電的需求，由于逆變器的輸出為交流220V，所以在DC母線和逆變器之間需要串聯(lián)升壓型DC/DC變換器;AC母線為微電網(wǎng)內(nèi)每個家庭用戶提供供電通道;并網(wǎng)模塊主要實現(xiàn)市電網(wǎng)和微電網(wǎng)之間的能量交換，當(dāng)微電網(wǎng)電能盈余，將向市電網(wǎng)輸出電能，當(dāng)微電網(wǎng)電能不足，將從市電網(wǎng)輸入電能;逆變器、儲能單元和并網(wǎng)模塊皆由主控制器進行控制.

從結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，光伏發(fā)電模塊PV system 1～PV system n均采用模塊式封裝設(shè)計，以便于整個系統(tǒng)容量的擴展和維護，真正達到“即插即用”的效果.同時，利用DC母線的優(yōu)點，打破了光伏電池板必須集中安裝的限制，做到在整個微網(wǎng)內(nèi)可以“任意地點安裝，任意時刻安裝”.另外，蓄電池采用工作電壓24 V的太陽能蓄電池，為匹配蓄電池的充電電壓，DC母線正常工作電壓選擇24 V.本系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制器和主控制器均采用MSP430單片機，以利用其低功耗、內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器和PWM生成與控制容易.

圖1 光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of photovoltaic generationmicrogrid

3 控制方法

對整個光伏微電網(wǎng)來說，好的控制方法是使整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行的關(guān)鍵.下面將根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)設(shè)計，從光伏發(fā)電模塊的控制、逆變器的控制和母線的控制三個方面進行研究.

3.1 光伏發(fā)電模塊的控制

光伏發(fā)電模塊由于采用模塊化封裝設(shè)計，所以控制器必須留有外部接口以實現(xiàn)信號的采樣，同時必須將必要的保護電路集成在該模塊中，以防止太陽板輸出功率太小時發(fā)生電流“倒灌”現(xiàn)象進而損壞太陽板.內(nèi)部控制器的主要功能是實現(xiàn)MPPT控制，控制方法采用擾動觀察法，從該方法本身的特點可知，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須將模塊的輸出電流和DC母線電壓進行采樣，如圖1所示.

根據(jù)式(1):

其中:Po、Io和Vbus分別表示光伏發(fā)電模塊的輸出功率、輸出電流和DC母線電壓.由于Vbus為固定值，因此要輸出功率Po達到最大值，只需要輸出電流Io達到最大值即可.在對光伏發(fā)電模塊進行MPPT控制時，只需要控制DC/DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)管的PWM控制信號占空比D，即可采用擾動觀察法使輸出電流Io達到最大值.

3.2 逆變器的控制

該系統(tǒng)的逆變器采用電壓型全橋單相逆變器，其主要功能是保證輸出電壓與市電網(wǎng)電壓同壓、同頻和同相，控制方法采用雙極性SPWM控制.控制過程可以描述如下:主控制器首先檢測市電網(wǎng)電壓的大小、頻率和相位(圖1中未畫出)，然后控制SPWM波的調(diào)制比大小，控制逆變器輸出電壓使其等于市電網(wǎng)電壓，同時控制SPWM正弦調(diào)制波的頻率和相位使其與市電網(wǎng)同頻、同相.每次并網(wǎng)前都應(yīng)使逆變器輸出電壓與市電網(wǎng)電壓同壓、同頻和同相，以避免對市電網(wǎng)的污染和沖擊.

逆變器輸入輸出電壓關(guān)系如式(2)所示:

其中:V1、Vi和M分別表示輸出交流電壓基波有效值、輸入直流電壓和SPWM波調(diào)制比.

為了使逆變器輸出電壓能達到并穩(wěn)定在交流220V左右(V1)，對DC母線電壓進行逆變前，必須先將該直流電壓(Vi)升至320左右.因此，在DC母線和逆變器之間，必須加入Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換器，如圖1所示.

3.3 母線的控制

該系統(tǒng)中，母線包括DC母線和AC母線，如圖1所示.DC母線電壓Vbus的控制主要是考慮對蓄電池的充電需要:當(dāng)蓄電池需要恒流充電時，改變Vbus以滿足充電要求，當(dāng)蓄電池需要恒壓充電時，保持Vbus為充電所需的固定值，根據(jù)第2節(jié)所述，此時Vbus為24 V;AC母線電壓的大小通過主控制器進行實時監(jiān)控，當(dāng)母線電壓低于某一閾值(可設(shè)為205V)時，可認(rèn)為微電網(wǎng)供電不足，由并網(wǎng)模塊輸入市電進行補充，當(dāng)母線電壓高于某一閾值(可設(shè)為235V)時，可認(rèn)為微電網(wǎng)供電盈余，由并網(wǎng)模塊向市電網(wǎng)輸送電能.顯然，此時的AC母線實際上也具有信號線功能，它的電壓變化情況為主控制器的控制策略提供了必要信息.

4 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)的單片機軟件主要包括光伏發(fā)電模塊的MPPT控制程序、逆變器的控制程序和AC母線的控制程序.光伏發(fā)電模塊的MPPT程序如圖2所示，主要實現(xiàn)光伏發(fā)電模塊的MPPT功能，此處采用電流擾動觀察法實現(xiàn)，其中，Io(k)和Io(k+1)分別表示前一時刻和后一時刻的光伏發(fā)電模塊輸出電流采樣值，D和ΔD分別表示DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管PWM控制信號占空比和占空比增量.逆變器和AC母線的控制程序如圖3所示，其中，vs、fs和φs分別表示市電網(wǎng)的電壓大小、頻率和相位，vn、fn和φn分別表示逆變器輸出電壓的大小、頻率和相位;調(diào)整SPWM子程序主要完成對逆變器輸出正弦波電壓大小、頻率和相位的調(diào)整，使其與市電網(wǎng)電壓的大小、頻率和相位相等;并網(wǎng)運行模式1是市電網(wǎng)向微電網(wǎng)送電的情況，以彌補微電網(wǎng)供電的不足，而并網(wǎng)運行模式2是微電網(wǎng)向市電網(wǎng)送電的情況，將微電網(wǎng)多余的電量送入市電網(wǎng)中，離網(wǎng)運行模式是微電網(wǎng)獨立運行模式，此時，微電網(wǎng)單獨向負(fù)載供電.

圖2 MPPT程序流程圖Fig.2 Flowchart of MPPT program

圖3 逆變器和AC母線控制程序流程圖Fig.3 Flowchart of control program of inverter and AC bus

對于圖2中的占空比增量ΔD大小的選擇標(biāo)準(zhǔn)為:既要使輸出變化較為明顯，以利于采樣并判斷，又不能太大，防止輸出功率振蕩太大.對于通過AC母線變化來判斷系統(tǒng)進入不同模式的原則是:上下閾值不能設(shè)太大，防止影響輸出負(fù)載的運行，也不能設(shè)太小，防止系統(tǒng)因微小振蕩造成程序的誤判.

5 仿真分析

為了驗證系統(tǒng)的運行性能，采用MATLAB仿真軟件進行仿真研究.仿真系統(tǒng)按照圖1所示結(jié)構(gòu)進行搭建，為了簡化仿真過程，光伏電池采用電池組與電阻串聯(lián)進行模擬，光伏發(fā)電模塊數(shù)量即DC母線左側(cè)的光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)量取為3，交流負(fù)載數(shù)量取為3，直流負(fù)載數(shù)量取為3，交流220V市電網(wǎng)采用交流220穩(wěn)壓源代替.同時，為了簡化分析，本系統(tǒng)輸出只仿真逆變器處于離網(wǎng)運行模式下的波形.仿真結(jié)果如圖4和圖5所示，其中圖4為光伏發(fā)電模塊采用擾動觀察法進行MPPT控制的波形，圖5表示逆變器輸出交流電壓波形.

圖4 光伏發(fā)電模塊功率跟蹤波形Fig.4 Power tracking wave of photovoltaic generation module

圖5 逆變器輸出交流電壓波形Fig.5 Output AC voltage wave of inverter

從圖4可以看出:在系統(tǒng)功率跟蹤的初期(0.12 s之前)，由于DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓低于DC母線電壓，因此輸出功率很小;在中期(0.12s～0.2s)，系統(tǒng)根據(jù)擾動觀察法進行輸出功率跟蹤，約0.2 s時輸出功率達到最大值;在后期(0.2s之后)，系統(tǒng)保持在最大功率點不變，直到外界天氣環(huán)境變化為止.從圖5可以看出:逆變器輸出電壓大小約220V有效值，波形為較好的正弦波.

6 結(jié)論

本文從用戶使用角度進行了光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計，充分考慮了微電網(wǎng)用戶群的分散性特點，將DC母線和AC母線結(jié)構(gòu)合理運用于系統(tǒng)中，同時，將光伏發(fā)電模塊化思想融入該系統(tǒng)設(shè)計中，使該光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)具有“即插即用”、“隨時隨地”使用以及可靠穩(wěn)定供電等優(yōu)點，真正實現(xiàn)了微電網(wǎng)系統(tǒng)與光伏發(fā)電、微電網(wǎng)系統(tǒng)與市電網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢互補和合理配置.該設(shè)計在快速推廣戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)方面以及在充分利用不同地域的太陽能資源方面，具有較高的實用價值和市場推廣價值.

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