光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化器研究與設(shè)計(jì)

趙曉俠， 束 軍， 高志陽

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程及自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650504; 2.安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230000)

光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化器研究與設(shè)計(jì)

趙曉俠1， 束 軍1， 高志陽2

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程及自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650504; 2.安徽大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230000)

為了確保太陽能電池工作在最大功率點(diǎn)(MPP)，提高光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率，研制了一種光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化器，介紹了系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理。設(shè)計(jì)了降壓斬波電路(BUCK電路)、驅(qū)動(dòng)電路和采集電路等系統(tǒng)模塊電路，建立了光伏系統(tǒng)功率測試系統(tǒng)，于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種環(huán)境下進(jìn)行性能測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果由測試上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)顯示，結(jié)果表明：系統(tǒng)跟蹤MPP的效率為99.38 %，在2種情況下均能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地跟蹤MPP，且系統(tǒng)穩(wěn)定，檢測結(jié)果精度較高。

光伏系統(tǒng)； 最大功率點(diǎn)； 功率優(yōu)化器； 降壓斬波電路

0 引 言

在太陽能電池光伏陣列中,由于每塊太陽能電池板出廠參數(shù)不盡相同,而且每塊太陽能電池板的實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境也不完全相同,使得光伏陣列有時(shí)無法輸出其最大功率,降低了光伏陣列轉(zhuǎn)換效率[1]。此時(shí)需要外部的輔助電路,實(shí)時(shí)跟蹤太陽能電池板的最大功率,確保太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率[2]。2007年,孫良偉、鄧焰等人探究了單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC變換器的優(yōu)化[3]；2014年,劉邦、羅曉曙等人提出了一種在單個(gè)光伏電池組件接入功率優(yōu)化器的光伏陣列架構(gòu)[4]。

本文通過最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tra-cking,MPPT)建立了太陽能光伏功率優(yōu)化器系統(tǒng),并測試了系統(tǒng)在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種環(huán)境下的精確度和穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線由上位機(jī)測試軟件實(shí)時(shí)顯示。

1 工作原理

在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等外部條件一定時(shí),太陽能電池存在最大功率點(diǎn)(maximum power point,MPP),且MPP和太陽能電池的輸出電壓存在對應(yīng)關(guān)系[5]。當(dāng)改變負(fù)載,使太陽能電池伏安特性與負(fù)載匹配時(shí),太陽能電池輸出達(dá)到最大功率[6]。

太陽能電池的MPPT控制過程,實(shí)際上就是使太陽能電池輸出阻抗和負(fù)載等值匹配的過程[7]。當(dāng)外部環(huán)境改變時(shí),太陽能電池U-I,U-P曲線也將相應(yīng)發(fā)生改變,亦即與太陽能電池輸出阻抗相匹配的負(fù)載需要發(fā)生對應(yīng)改變,才能使太陽能電池繼續(xù)工作在MPP處[8,9]。

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)載實(shí)時(shí)匹配太陽能電池的輸出阻抗,設(shè)計(jì)了一種光伏功率優(yōu)化器系統(tǒng),如圖1所示,其中,IPV為太陽能電池工作電流；UPV為太陽能電池工作電壓；TM為Buck電路中開關(guān)管的溫度。采樣電路將需要采集的信號按照一定的方式變換為微控制器能夠采集的信號形式；Buck電路是實(shí)現(xiàn)太陽能電池負(fù)載匹配的DC/DC變換器,通過對Buck電路中開關(guān)管的控制[10],實(shí)現(xiàn)對太陽能電池工作電壓的控制；驅(qū)動(dòng)電路將微控制器輸出的弱控制信號轉(zhuǎn)換為能夠驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的強(qiáng)控制信號,使開關(guān)管進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作[11]。

圖1 功率優(yōu)化器系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)工作原理為：太陽能電池工作的電流值IPV和電壓值UPV通過采樣電路采集、傳輸給微控制器,微控制器根據(jù)IPV和UPV通過驅(qū)動(dòng)電路來控制Buck電路中開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷,從而實(shí)現(xiàn)改變太陽能電池輸出阻抗與等值負(fù)載匹配。

2 光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化器硬件設(shè)計(jì)

2.1 Buck電路設(shè)計(jì)

Buck電路是通過一個(gè)全控器件的導(dǎo)通和關(guān)斷調(diào)整電壓輸出的,圖2為Buck電路的基本電路結(jié)構(gòu),主要由全控器件V、續(xù)流二極管VD、電感器L、電阻器R和電源E和反向電動(dòng)勢Em組成,其中，如果電路中沒有反向電動(dòng)勢,則可以令Em=0。

圖2 Buck電路

2.2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示,驅(qū)動(dòng)芯片采用單2A高速低端柵極驅(qū)動(dòng)芯片F(xiàn)AN3100T,工作電壓為12 V時(shí)，其漏源電流可以達(dá)到3A,最大輸出電壓為18 V。電路中在驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)管之間設(shè)計(jì)了隔離電路,由三極管Q1、二極管D3和電阻器R4組成,作用是隔離開關(guān)管和驅(qū)動(dòng)電路,避免當(dāng)開關(guān)管發(fā)生故障時(shí)損毀驅(qū)動(dòng)芯片,同時(shí),也能夠在驅(qū)動(dòng)芯片無驅(qū)動(dòng)信號時(shí)拉低開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號,避免無驅(qū)動(dòng)信號時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片可能發(fā)生的故障。

2.3 采樣電路設(shè)計(jì)

采集電路除了需要采集供太陽能電池工作的電流值IPV和電壓值UPV,還需要采集MOSFET溫度,目的是為了有效地保護(hù)開關(guān)管,防止開關(guān)管溫度過高導(dǎo)致器件損毀。電流采樣電路如圖4。

圖3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

微控制器的AD模塊需將電流串聯(lián)電阻轉(zhuǎn)換為電壓再進(jìn)行電流數(shù)據(jù)采樣。由功率的計(jì)算公式P=I2R可知,串聯(lián)的采樣電阻器阻值不可以太大,否則將增加電路損耗，影響整體效率。因此,選用阻值為0.005 ,誤差在1 %以內(nèi)的精密電阻器,避免后級處理使采樣電流值產(chǎn)生較大的失真。采樣電阻器輸出的電壓值經(jīng)過分壓后傳給由運(yùn)算放大器組成放大電路,并使用多個(gè)電阻器串聯(lián)的形式以提高電路耐流能力。

3 光伏系統(tǒng)功率優(yōu)化器軟件設(shè)計(jì)

圖5為功率優(yōu)化器控制流程,系統(tǒng)上電后,微控制器首先對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,然后,分兩路同時(shí)執(zhí)行程序,一路通過主程序循環(huán)執(zhí)行開關(guān)管工作溫度的檢測,一旦發(fā)現(xiàn)開關(guān)管溫度過高或不正常工作,微控制器將執(zhí)行異常處理程序,以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作；另一路檢測所采集的太陽能電池工作電壓V和電流I是否正確,并經(jīng)過滯環(huán)比較算法的基本規(guī)則計(jì)算出正確的輸出電壓,再通過PI閉環(huán)控制調(diào)整太陽能電池輸出電壓,使太陽能電池工作在滯環(huán)比較法要求的電壓處,重復(fù)以上過程，使功率優(yōu)化器正常工作,完成MPPT功能。

圖6顯示MPPT控制流程,程序中使TIM1輸出60 kHz的中心對齊脈沖帶寬調(diào)制(PWM),并在每次溢出事件發(fā)生時(shí)觸發(fā)ADC采集太陽能電池的工作電壓和電流。PI調(diào)節(jié)器在TIM1的溢出中斷發(fā)生后才進(jìn)行,設(shè)置TIM1的重復(fù)次數(shù)寄存器為5,所以,每發(fā)生7次溢出事件產(chǎn)生一次中斷,即PI調(diào)節(jié)器的工作頻率為10 kHz。變步長滯環(huán)比較法的功率比較和電壓輸出均在TIM2的周期中斷內(nèi)完成,TIM2的中斷周期為1 ms,即每隔1 ms確定一次太陽能電池的輸出電壓,并傳輸給PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)太陽能工作電壓,最終使太陽能電池工作在MPP附近。

圖5 功率優(yōu)化器的總體控制流程

圖6 MPPT電壓控制框圖

4 實(shí) 驗(yàn)

為了便于實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證MPPT算法有效性,實(shí)驗(yàn)中采用光伏模擬器代替太陽能電池,同時(shí),為了能夠提供可靠的負(fù)載,使用電子負(fù)載代替實(shí)際使用的負(fù)載,實(shí)驗(yàn)中,使用的電子負(fù)載型號為IT 8511+。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為2個(gè)部分：1)在環(huán)境條件不變(靜態(tài))的情況下,分別對工作電壓和輸出功率進(jìn)行測試,驗(yàn)證算法正確性和靜態(tài)性能；2)在環(huán)境條件改變(動(dòng)態(tài))時(shí),驗(yàn)證算法動(dòng)態(tài)性能。

1)靜態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn)

設(shè)置Umpp=50 V,Pm=400 W,MPP輸出功率為Pmpp=0.3Pm=133.3 W，為標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)環(huán)境條件,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,從上位機(jī)計(jì)算得出的MPPT的效率為99.38 %；平均輸出功率為119.28 W,非常接近MPP處的輸出功率；太陽能電池的平均工作電壓為50.060 V,MPP處電壓的誤差僅為0.12 %；系統(tǒng)追蹤到MPP所花費(fèi)的時(shí)間在5s以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速地跟蹤MPP,且檢測結(jié)果精度高。

圖7 環(huán)境穩(wěn)定時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2)動(dòng)態(tài)性能測試實(shí)驗(yàn)

圖8 動(dòng)態(tài)MPPT實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置界面

圖9 動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8為在進(jìn)行動(dòng)態(tài)MPPT實(shí)驗(yàn)時(shí),光伏模擬器的參數(shù)配置界面。在動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí),光伏模擬器輸出的I-V曲線和P-V曲線將按照圖中的曲線簇,由下到上再由上到下反復(fù)變換,模擬環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的情形。圖9為動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明：在環(huán)境變化時(shí),系統(tǒng)能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地找出MPP,且穩(wěn)定度高,沒有出現(xiàn)誤判的情況。

5 結(jié)束語

介紹了MPPT控制原理和光伏系統(tǒng)優(yōu)化器的工作原理,提出了通過跟蹤MPP,使太陽能電池工作在MPP處,提高光伏陣列的轉(zhuǎn)換效率。建立了太陽能光伏功率優(yōu)化器測試系統(tǒng),于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)2種環(huán)境下進(jìn)行性能測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果通過上位機(jī)測試軟件實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境下,5 s內(nèi)的MPPT效率為99.38 %,MPP處電壓的誤差為0.12 %；在動(dòng)態(tài)環(huán)境下,準(zhǔn)確無誤地顯示出了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線,表明：系統(tǒng)在2種情況下均能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地跟蹤MPP,且系統(tǒng)穩(wěn)定,檢測結(jié)果精度較高。

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趙曉俠(1965-),副教授,碩士生導(dǎo)師,從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究工作。

束 軍(1989-),男,通訊作者,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閮x器儀表工程。

Research and design of photovoltaic system power optimizer

ZHAO Xiao-xia1, SHU Jun1, GAO Zhi-yang2

(1.College of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650504,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei 230000,China)

In order to ensure solar cells work at the maximum power point(MPP),improve conversion efficiency of photovoltaic array,a photovoltaic system power optimizer is researched.Structure and working principle of the system is introduced.Design buck chopper circuit,driving circuit and data collection circuit,etc,establish photovoltaic system test system,performance test under static and dynamic two environments are carried out,the experimental results are displayed on testing upper PC in real time,the results show that,the effect of MPP of system is 99.38 %,in two cases,it can accurately and real-time track MPP,and the system is stable,precision of detection results is high.

photovoltaic system; maximum power point(MPP); power optimizer; buck chopper circuit

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0081—03

2016—09—18

TM 72

A

1000—9787(2017)09—0081—03