小型光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

徐東東 張海寧 劉衛(wèi)亮 王印松 吳延群

1．華北電力大學(xué)自動化系 河北 保定 071003

2．青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青海 西寧 810008

0 引言

近年來，煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源日趨緊張，新能源的開發(fā)利用受到了越來越多的關(guān)注。作為新能源利用的主要形式之一，太陽能光伏發(fā)電具有無污染、運(yùn)行方式靈活、維護(hù)簡單等特點(diǎn)，對于大電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)或者有大電網(wǎng)覆蓋的特殊場合的供電問題具有重要意義［1-3］。隨著國家綠色能源戰(zhàn)略的加快實(shí)施，光伏發(fā)電技術(shù)的研究工作和人才培養(yǎng)顯得尤為緊迫。光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺是開展光伏發(fā)電技術(shù)的研究與教學(xué)工作的載體，限于資金及場地限制，國內(nèi)僅有少數(shù)院校進(jìn)行了平臺的搭建［4-8］。本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一套小型光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺，包括硬件裝置部分和軟件部分。首先簡要介紹光伏發(fā)電技術(shù)的原理，然后論述硬件裝置部分和軟件部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)過程，并通過應(yīng)用實(shí)例對實(shí)驗(yàn)平臺的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 光伏發(fā)電原理

光伏電池發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到電池上時，其PN結(jié)兩端會有電動勢產(chǎn)生。光伏電池的等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池等效電路

圖中，ILG為光電池電流源，I為太陽能電池輸出電流，Id為二極管工作電流，Ish為漏電流，Rs和Rsh分別為光伏電池的等效串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗。由圖1中的等效電路圖可得出光伏電池的U-I特性為：

式中：U為光伏電池輸出電壓；T為電池溫度；q為電子電量；A為理想因子，一般1＜=A＜=2；K為波爾茨曼常數(shù)。當(dāng)負(fù)載從零變化到無窮大時，即可得到如圖2所示的光伏電池的I-U、P-U特性曲線?？梢姽夥姵剌敵鲭娏髋c輸出電壓呈現(xiàn)反比的關(guān)系，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻到某一值Rm，在曲線上得到一點(diǎn)M，其對應(yīng)的工作電壓和電流之積最大，即Pm=Um×Im，此M點(diǎn)即為最大功率輸出點(diǎn)（MPP）。

圖2 光伏電池特性曲線

2 平臺的硬件裝置

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)輸出是否并入電網(wǎng)，可分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。本文實(shí)驗(yàn)平臺主要研究獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制以及逆變控制，所設(shè)計的硬件裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中逆變器的設(shè)計主要參數(shù)要求如表1所示。該硬件裝置主要由七個部分組成：微控制器、DC／DC變換器、逆變橋、濾波器、負(fù)載、控制回路、人機(jī)交互部分、監(jiān)控顯示部分。其中人機(jī)交互部分包括鍵盤、LED指示燈、蜂鳴器、語音播報系統(tǒng)、液晶顯示器及RS232通信接口。

圖3 硬件裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

表1 逆變器主要參數(shù)要求

2.1 微控制器選型

考慮到最大功率跟蹤過程以及逆變過程的對控制芯片的實(shí)時性要求較高，采用飛思卡爾公司HCS12X系列16位單片機(jī)MC9S12XS128MAA作為控制芯片，其主要特點(diǎn)是總線頻率高達(dá)40MHz，運(yùn)算速度快，片內(nèi)存儲器容量較大，外設(shè)豐富。逆變器工作過程中涉及的電壓電流模擬量通過電壓電流傳感器采樣后，送入MC9S12XS128MAA單片機(jī)的AD端口，單片機(jī)根據(jù)軟件程序控制PWM端口產(chǎn)生PWM波，由驅(qū)動電路驅(qū)動BOOST電路和逆變電路的開關(guān)管，從而控制逆變器的工作狀態(tài)。

2.2 DC／DC變換器電路設(shè)計

DC／DC變換器選用開關(guān)電源中的BOOST電路。電路設(shè)計中的主要工作是對功率管Q1和輸出儲能電感L1的選擇。本文選用MOSFET作為BOOST電路的功率開關(guān)管，為了保證器件安全可靠工作，在留有一定裕量的前提下，參考器件的電壓、電流額定值進(jìn)行具體型號的選取。對本裝置而言，由于其與光伏電池板直接配接，設(shè)定輸入電壓范圍為15～30V，取三倍電壓裕量，MOSFET額定電壓應(yīng)該在90V以上，故MOSFET可選用IRFS4321，其額定電壓為150V，電流最大可達(dá)83A，滿足功率要求，且具有較小的通態(tài)電阻，為15mΩ。綜合考慮輸出電流的紋波、開關(guān)頻率等因素，最終選取儲能電感L1為330uH。

由于單片機(jī)脈寬調(diào)制模塊驅(qū)動能力有限，不能保證功率開關(guān)管的可靠觸發(fā)，為此本文采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的MCP14E14作為MOSFET的驅(qū)動芯片。該芯片是一款雙路高速功率管驅(qū)動芯片，峰值輸出電流高達(dá)4A，同時具有寬電壓范圍、驅(qū)動能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，圖4為驅(qū)動電路原理圖。

圖4 開關(guān)管驅(qū)動電路原理圖

2.3 逆變橋電路設(shè)計

利用四片N溝道的MOSFET構(gòu)成逆變橋，型號為IRF540N，其漏源擊穿電壓為100V，最大漏極電流為33A，導(dǎo)通電阻為44 mΩ。采用74HC00結(jié)合IR2104驅(qū)動芯片做為逆變橋MOSFET驅(qū)動電路，如圖5所示。

圖5 逆變器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動電路

74HC00芯片包含四組二輸入與非門電路，DIR1和DIR2信號分別為單片機(jī)IO口輸出的高低電平信號，SPWM信號為單片機(jī)脈寬調(diào)制端口輸出的正弦PWM調(diào)制信號。MOSFET驅(qū)動信號部分邏輯表如表2所示。

表2 MOSFET驅(qū)動信號邏輯表

2.4 檢測電路設(shè)計

硬件裝置共有6路模擬量信號，分別為光伏電池結(jié)溫T、光伏電池輸出電壓Vpv、輸出電流Ipv，BOOST電路輸出電壓Vboost、輸出電流Iboost和逆變輸出電壓Vgrid。其中Vgrid為交流電壓，另外5路均為直流信號。電流傳感器采用型號為ACS712ELCTR-05B-T的霍爾線性電流傳感器，具有185mV／A的輸出靈敏度，可測電流范圍-5～+5A。圖6為該電流傳感器的示意圖。

圖中IP+、IP-為電流信號輸入端子，Vout端為測量電流輸出信號管腳，輸出電壓與被測電流的關(guān)系為Vout=2.5V±△I*0.185V（△I為被測電流）。為了提高電流傳感器的靈敏度，減小相對誤差，設(shè)計了如圖7所示的信號調(diào)理電路。經(jīng)過調(diào)理電路后電流測量電路靈敏度提高為925mV／A。系統(tǒng)中采用的運(yùn)放為MCP6022芯片。

圖7 光伏電池輸出電流信號調(diào)理電路

根據(jù)運(yùn)放的“虛短”“虛斷”及可得光伏電池輸出電流的電壓信號Ipv：

目前，交流電壓傳感器大多量程較大且成本較高，本系統(tǒng)由于逆變輸出電流較小，為了提高測量精度、減小相對誤差、降低成本，本系統(tǒng)逆變輸出交流電壓利用運(yùn)算放大器電路測量，圖8為測量電路原理圖。

圖8 逆變電壓測量電路

根據(jù)運(yùn)放的“虛短”“虛斷”可得：

代入數(shù)值得：

因此，設(shè)計逆變橋輸出電壓范圍為-40～40V時，Vgrid的范圍為 0.5～4.5V。

3 軟件設(shè)計

硬件裝置的工作模式可分為3種，分別是啟動模式、運(yùn)行模式和故障模式。

啟動模式下：系統(tǒng)初始化完成后，硬件裝置進(jìn)行啟動條件檢測，若光伏電池電壓、系統(tǒng)電路初始狀態(tài)參數(shù)等均符合啟動條件，硬件裝置與上位機(jī)進(jìn)行通訊，正常通訊后，由監(jiān)控軟件控制進(jìn)入運(yùn)行模式。

運(yùn)行模式下：硬件裝置根據(jù)監(jiān)控軟件下達(dá)的指令完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和算法運(yùn)算，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)回上位機(jī)。故障模式主要用來保證系統(tǒng)工作在正常穩(wěn)定狀態(tài)下，如有光伏電池欠壓、直流升壓斬波電路輸出電壓過壓、逆變電流輸出過大等任一情況下，系統(tǒng)進(jìn)入故障模式。

軟件設(shè)計主要分為兩部分，一是硬件裝置中的MPPT控制、逆變控制等實(shí)驗(yàn)算法的設(shè)計，另一部分是上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計。

3.1 光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)算法設(shè)計

本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S12XS128MAA芯片作為主控制器，使用CodeWarror軟件編程和調(diào)試。

3.1.1 功率特性實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計

功率特性實(shí)驗(yàn)的目的是獲取不同光照強(qiáng)度與電池板溫度下的P-U曲線與U-I曲線。設(shè)計思路為：在［0，1］范圍內(nèi)不斷地對 DC／DC 變換器功率管Q1的PWM占空比進(jìn)行順次擾動，相當(dāng)于逐漸地改變光伏電池板的等效負(fù)載，從而影響其輸出電壓與輸出功率，記錄下相應(yīng)P-U與U-I數(shù)據(jù)便可進(jìn)行特性曲線的繪制。

3.1.2 最大功率跟蹤控制程序設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)平臺置中設(shè)計了3種MPPT控制算法可供選擇，分別是定電壓控制法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法，可通過監(jiān)控軟件向硬件裝置發(fā)送不同的指令要求選擇不同的MPPT控制算法進(jìn)行MPPT控制實(shí)驗(yàn)，并設(shè)定算法的參數(shù)如定電壓、擾動步長等。

3.1.3 逆變控制程序設(shè)計

逆變系統(tǒng)包含前級BOOST升壓控制和后級逆變控制兩部分。BOOST升壓控制的目的是實(shí)現(xiàn)前級電壓的穩(wěn)定，后級逆變控制的目的是使得輸出電壓為工頻正弦波，兩級控制均采用PI控制算法。圖9為BOOST升壓控制和逆變控制流程圖。

圖9 BOOST升壓控制與逆變控制流程圖

設(shè)定逆變器輸出電壓峰峰值為50V，頻率為50Hz，開展實(shí)驗(yàn)，得出逆變器實(shí)際輸出電壓峰峰值為 48.6V，頻率為 50.04Hz，電壓峰峰值誤差為-0.4V，頻率誤差為0.04Hz，均在可接受范圍內(nèi)。根據(jù)硬件裝置返回的逆變數(shù)據(jù)得到的逆變曲線如圖10所示。

圖10 逆變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.4 拓展實(shí)驗(yàn)

蓄電池充放電控制實(shí)驗(yàn)

蓄電池組是光伏電池的主要儲能裝置，日照良好的天氣可儲存多余的能量，在夜間或陰雨天氣時刻對負(fù)載供電。蓄電池的過量充電或過量放電對蓄電池的性能會造成不良影響，故需進(jìn)行合理控制。在硬件裝置的基礎(chǔ)上稍做改動可并入蓄電池組，從而支持蓄電池充放電試驗(yàn)。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制與逆變控制實(shí)驗(yàn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為主流的智能控制方法，在光伏最大功率跟蹤控制與逆變控制中得到了日益廣泛應(yīng)用。常規(guī)微處理器的運(yùn)算有限，難以滿足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)算需求，因此，可采用FPGA作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專用運(yùn)算器，與本硬件裝置連接，從而完成基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制與逆變控制實(shí)驗(yàn)。

3.2 監(jiān)控軟件設(shè)計

基于以上硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計，開發(fā)了光伏發(fā)電小型實(shí)驗(yàn)平臺的上位機(jī)監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件基于Microsoft visual studio 2010平臺的C#編程語言，并采用Winform實(shí)現(xiàn)。其主要功能為負(fù)責(zé)接收處理小型實(shí)驗(yàn)平臺各個測控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和曲線顯示，并下發(fā)控制指令。監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)圖如11所示：

上位機(jī)監(jiān)控軟件具有簡潔直觀，人機(jī)交互友好等特點(diǎn)，與硬件裝置配合，可以靈活地調(diào)控實(shí)驗(yàn)過程，并直觀的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖12為光伏電池特性實(shí)驗(yàn)過程曲線，圖13為最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)過程曲線。

圖11 監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)

圖12 光伏電池特性實(shí)驗(yàn)過程曲線

圖13 最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)過程

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套軟硬件兼?zhèn)涞牡碗妷汗夥l(fā)電小型實(shí)驗(yàn)平臺。本文首先簡要介紹了光伏發(fā)電的原理，然后分別從硬件裝置部分和軟件部分對實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了詳細(xì)介紹。硬件裝置部分從微處理器的選型、采樣電路的設(shè)計、逆變橋的搭建等方面進(jìn)行了闡述，軟件部分主要介紹了最大功率跟蹤程序和逆變程序的設(shè)計，以及軟件監(jiān)控界面的設(shè)計，同時介紹了本實(shí)驗(yàn)裝置可能進(jìn)行的拓展實(shí)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用表明，本實(shí)驗(yàn)平臺能完成太陽能電池特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)、逆變實(shí)驗(yàn)等多個實(shí)驗(yàn)，并具有良好的可拓展性，對于光伏發(fā)電技術(shù)的研究與教學(xué)工作具有重要的意義。

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