小型光伏發(fā)電的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)※

李巖，姚振東，周駿鶴，劉凱，皮波

（成都信息工程學(xué)院，中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，成都610225）

引 言

陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤器、蓄電池充放電控制器、蓄電池內(nèi)阻測(cè)量、DC/DC電路、DC/AC電路等。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)是以最大發(fā)電量為依據(jù)，因此光伏跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要避免跟蹤不足，又要避免過度跟蹤，這也是現(xiàn)階段光伏跟蹤系統(tǒng)研究者常常忽略的最根本事實(shí)[2]。因此本文比較了目前光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的幾種常用控制算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近采用阻抗匹配法，在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的位置，使用擾動(dòng)觀察法使電壓快速到達(dá)最大工作點(diǎn)。

1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)不與任何常規(guī)的電力系統(tǒng)連接，是獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電系統(tǒng)。這種獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)多用于偏遠(yuǎn)山區(qū)、海上燈塔、野外自動(dòng)觀測(cè)站等。由于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能是唯一的能量來源，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)中需要一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來存儲(chǔ)能量。

圖1為小型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，包括太陽(yáng)能光伏

太陽(yáng)能光伏陣列為系統(tǒng)中的核心部分，將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能。

蓄電池組的作用是將太陽(yáng)能的電能儲(chǔ)存起來，當(dāng)無光照或光照不足時(shí)，為后端負(fù)載提供電能。

直流穩(wěn)壓電路（DC/DC穩(wěn)壓電路）將太陽(yáng)能控制調(diào)節(jié)后的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，或者將蓄電池組提供的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓輸出，系統(tǒng)要求輸出穩(wěn)定的12 V電壓，為直流負(fù)載供電，此處的直流穩(wěn)壓電路采用激式變換電路，同時(shí)對(duì)穩(wěn)壓輸出的電壓、電流進(jìn)行采集，確保輸出的電壓值為穩(wěn)定的12 V。

太陽(yáng)能逆變器（DC/AC逆變器）將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，供交流負(fù)載使用。逆變器是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，為了提高獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，保證供電系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)逆變器可靠性的要求很高。

2 光伏發(fā)電的基本原理

2.1 光伏陣烈

為了使光伏陣列快速達(dá)到最大功率點(diǎn)且在最大功率點(diǎn)穩(wěn)定，在本設(shè)計(jì)中光伏系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近區(qū)域采用阻抗匹配法，并選擇較小的電壓變化步長(zhǎng)，在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域采用擾動(dòng)觀察法。

2.2 蓄電池的充放電原理

由于鉛酸蓄電池價(jià)格低、容量大，目前免維護(hù)密封鉛酸蓄電池（VRLA）作為儲(chǔ)能器件應(yīng)用最廣泛。鉛酸蓄電池以硫酸水溶液為電解質(zhì)，正極板活性物質(zhì)為二氧化鉛（PbO2），負(fù)極板活性物質(zhì)為金屬鉛（Pb）。

在設(shè)計(jì)需要時(shí)對(duì)蓄電池的容量進(jìn)行檢測(cè)，防止出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象，本系統(tǒng)采用的是電壓?jiǎn)苇h(huán)在線檢測(cè)模式。

3 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由圖2可知，太陽(yáng)能光伏陣列輸出直流電壓，經(jīng)過DC/DC變換后，再經(jīng)過濾波，向后端蓄電池、DC/AC和DC/DC模塊提供滿足要求的直流電壓。系統(tǒng)的控制功能由32位高速DSP芯片TMS320F2812來完成。光伏陣列輸出電壓、電流經(jīng)過采樣電路處理后送入DSP的ADC采樣端口，將采集到的電壓、電流值在DSP中進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤算法控制后，由PWM輸出端口送出控制信號(hào)到PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的輸出信號(hào)將完成對(duì)功率器件的開關(guān)控制。最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)由5部分組成，分別為電壓、電流采樣模塊，TMS320F2812，PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊，DC/DC轉(zhuǎn)換模塊。

3.1.1 電壓采樣模塊

電壓采樣模塊電路圖略——編者注。利用 HCNR200線性光耦進(jìn)行光耦隔離測(cè)量。光伏陣列的輸出經(jīng)電阻分壓后輸入給線性光耦HCNR200電路，在經(jīng)過信號(hào)處理后向DSP提供控制參考。HCNR200是電流驅(qū)動(dòng)性光耦，其LED的工作電流要求為1～20 m A，要求運(yùn)放的驅(qū)動(dòng)電流也必須達(dá)到20 m A[12]。綜合考慮，選擇AD8512運(yùn)算放大器，其輸出電流可達(dá)50 m A。

圖2 最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1.2 電流采樣模塊

電流采樣模塊電路如圖3所示，使用了電流檢測(cè)芯片MAX4173，對(duì)檢流電阻兩端的微小電壓進(jìn)行放大，并饋入到低壓ADC進(jìn)行處理。這種情況下，通常需要在檢流電阻兩端對(duì)電流檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行濾波。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的時(shí)候采用差分濾波器濾除負(fù)載電流和檢流電壓的“毛刺”，同時(shí)采用共模濾波器，以增強(qiáng)在出現(xiàn)共模電壓尖峰或瞬時(shí)過壓時(shí)的ESD保護(hù)能力。設(shè)計(jì)中，測(cè)流電阻RSENSE的阻值過高和過低都不利于電流的檢測(cè)[13]，因此本系統(tǒng)的測(cè)流電阻RSENSE的阻值為50 mΩ。

3.1.3 控制模塊

控制模塊根據(jù)采集到的電流和電壓以及MPPT算法判斷最大功率點(diǎn)位置，輸出PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)而控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。采用的控制器為32位高速DSP芯片TMS320F2812。

3.1.4 DC/DC轉(zhuǎn)換模塊

DC/DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)輸入的PWM波的占空比調(diào)整負(fù)載的阻抗到相應(yīng)值，完成對(duì)光伏陣列工作點(diǎn)的控制功能。本系統(tǒng)采用的是反激式變換電路，其實(shí)質(zhì)是使用了多繞組電感代替了常用的單繞組buck-boost電路，因此可等效為對(duì)buckboost電路建模，其交流小信號(hào)模型略——編者注[14]。

反激式直流變換器的主電路如圖4所示，電路由功率開關(guān)管V、電感變壓器T、二極管D和濾波電容Co構(gòu)成。

反激式直流變換器中的電感變壓器起著電感和變壓的雙重作用。當(dāng)功率開關(guān)管V導(dǎo)通時(shí)，電源向電感Lp儲(chǔ)能，二極管D截止，由輸出電容向負(fù)載供電；當(dāng)V截止時(shí)，二極管D導(dǎo)通，變壓器儲(chǔ)能經(jīng)Ls向負(fù)載放電和向電容充電。根據(jù)開關(guān)管V關(guān)斷時(shí)間內(nèi)二極管D是否持續(xù)導(dǎo)通，可分為三種工作模式：連續(xù)導(dǎo)電模式、臨界連續(xù)模式和斷續(xù)導(dǎo)電模式[15]。這里的“連續(xù)”不再是單線圈電感電流的連續(xù)，而是用次級(jí)線圈晶體管截止時(shí)間電流狀態(tài)來說明，實(shí)際上是指磁通連續(xù)性。

圖3 電流采集電路

3.1.5 PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊

PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)模塊由PWM控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)DC/DC轉(zhuǎn)換器工作。驅(qū)動(dòng)電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅(qū)動(dòng)功率管。設(shè)計(jì)中采用IR2110驅(qū)動(dòng)芯片，用高速光耦6N137隔離，能夠快速地完成PWM信號(hào)的傳輸，并且具有隔離作用，滿足系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)要求。

圖4 反激式直流變換器的主電路圖

3.2 蓄電池充放電控制器及內(nèi)阻測(cè)量模塊

隨著蓄電池的老化，其剩余容量隨之下降，內(nèi)阻也逐漸增大[17]。一般認(rèn)為，實(shí)際容量降到80%，電池的腐蝕將迅速加速，這時(shí)為保證整體系統(tǒng)的正常工作就需要及時(shí)替換電池，因此蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量有重要意義。

直流檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是蓄電池在線也可以精確地測(cè)量?jī)?nèi)阻。因此采用直流檢測(cè)法中的二次放電法，通過對(duì)電池進(jìn)行兩次放電，可以克服平衡電位不穩(wěn)定等因素，提高測(cè)量精度。根據(jù)在不同電流（I1、I2）下的電壓變化（U1、U2），來計(jì)算內(nèi)阻值，則I1、I2的放電回路如下：

由式（1）和式（2）可得蓄電池內(nèi)阻為：

放電法測(cè)電阻電路如圖5所示，采用大回路法放電。三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管IRF640一般狀態(tài)下是斷開的，當(dāng)要測(cè)量蓄電池內(nèi)阻時(shí)，DSP2812使3個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管IRF640同時(shí)導(dǎo)通，將R1、R2和R3三個(gè)電阻切入，形成放電回路。電池組對(duì)3個(gè)負(fù)載同時(shí)放電，通過電流采集電路采集電壓信號(hào)傳給CPU，在開關(guān)導(dǎo)通的同時(shí)，3個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管IRF640導(dǎo)通約2 s后關(guān)斷，然后，間隔一定時(shí)間后（3～5 min），再投入Rl和R2兩個(gè)電阻，同樣測(cè)得電池放電電流和單體電池電壓。CPU通過采集到的電壓信號(hào)，計(jì)算出單體電池的內(nèi)阻。

3.3 DC/AC

逆變器是將直流電變換成交流電的關(guān)鍵設(shè)備。因?yàn)楣夥嚵械妮敵鰹橹绷麟?，必須要把直流電轉(zhuǎn)換成交流電才能共給交流負(fù)載使用，所以逆變器是非常重要的電能變換設(shè)備。

逆變器采用了SPWM波基本控制方法，因此選擇了EG8010芯片，EG8010是一款數(shù)字化的、功能很完善的自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，應(yīng)用于DC-DC-AC兩級(jí)功率變換架構(gòu)或DC-AC單級(jí)工頻變壓器升壓變換架構(gòu)，外接12 MHz晶體振蕩器，能實(shí)現(xiàn)高精度、失真和諧波都很小的純正弦波50 Hz或60 Hz逆變器專用芯片。該芯片采用CMOS工藝，內(nèi)部集成SPWM正弦波發(fā)生器、死區(qū)時(shí)間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動(dòng)電路、保護(hù)電路、RS232串行通信接口和12832串行液晶驅(qū)動(dòng)模塊等[17]。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)前面介紹的蓄電池充放電的性質(zhì)，可以將蓄電池過充點(diǎn)和過放點(diǎn)分別設(shè)置為2個(gè)閾值，分別為13 V和11 V。

系統(tǒng)不停地檢測(cè)太陽(yáng)能電池的輸出電壓，當(dāng)太陽(yáng)能電池的輸出電壓充足時(shí)，采用太陽(yáng)能電池為后端負(fù)載供電，同時(shí)檢測(cè)蓄電池的電壓是否充足，如果充足，則不需要給蓄電池充電，此時(shí)關(guān)斷蓄電池與太陽(yáng)能電池的連接；當(dāng)蓄電池的電壓不足時(shí)，太陽(yáng)能的電能一部分為后端負(fù)載供電，另一部分為蓄電池充電，直至蓄電池充滿電后關(guān)斷蓄電池與太陽(yáng)能電池的連接。當(dāng)太陽(yáng)能電池輸出的電壓不足時(shí)，斷開太陽(yáng)能與蓄電池及后端負(fù)載的連接，采用蓄電池為后端負(fù)載供電，同時(shí)不停地檢測(cè)蓄電池的電壓。當(dāng)蓄電池的電壓不足時(shí)，斷開蓄電池與負(fù)載的連接，停止放電。

系統(tǒng)中還加入了過流保護(hù)、過壓保護(hù)以及蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí)，斷開所有開關(guān)，同時(shí)將故障傳給PC機(jī)，以便及時(shí)地檢修或者更換蓄電池，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

5 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體調(diào)試通過之后能夠滿足預(yù)期的功能要求：該系統(tǒng)輸出的12 V直流電可以為小型光伏發(fā)電系統(tǒng)自身供電，220 V交流電可以為筆記本電腦供電。

結(jié) 語(yǔ)

獨(dú)立光伏系統(tǒng)采用一片DSP控制，使得整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和可控性提高，可以更好協(xié)調(diào)各部分與系統(tǒng)整體的關(guān)系。采用了反激式變換器，把原副邊之間的干擾信號(hào)隔開，同時(shí)提高了效率。將傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法和阻抗匹配法進(jìn)行了結(jié)合，使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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