一種多用途離網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

周 用，李紹武

(湖北民族大學 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

光伏系統(tǒng)以綠色環(huán)保、清潔可再生著稱，是當前較為理想的發(fā)電方式之一.同時，中國出臺了“光伏扶貧”的民生政策，用以改善農(nóng)村粗放用能模式、緩解能源緊缺局面、促進能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展[1-2].

傳統(tǒng)電網(wǎng)向缺電的偏遠地區(qū)送電，往往費時費力且需架設線桿、破壞生態(tài)環(huán)境，而小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)成本低且安裝方便[3-5].為此，本文將對多用途離網(wǎng)光伏電源進行設計并完成實物制作與測試，以期設備能在向陽處獨立運行并提供穩(wěn)定可靠的電能.研究過程中將針對該設備的控制環(huán)節(jié)依據(jù)現(xiàn)有MPPT理論給出合理的設計方案.多用途光伏電源設備的設計與實現(xiàn)是設計山區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的前提條件.文中將結(jié)合山區(qū)旅游景點的建筑特點來設計光伏系統(tǒng)的應用結(jié)構(gòu).通過多用途光伏電源系統(tǒng)，景區(qū)內(nèi)的各類公用設施也能獨立獲取靈活便捷、成本低廉的電能，進而實現(xiàn)節(jié)能減排的目的.

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架的設計

圖1所示的光伏系統(tǒng)是以單臺離網(wǎng)光伏電源設備為控制和輸出核心的獨立發(fā)電單元，圖1中分別設計了光伏PV模塊、電源設備模塊、用電負荷模塊、儲能系統(tǒng)模塊，并標注了電能與控制信號流向.為了降低設備電能損耗，設備模塊選用低功耗的STM32單片機作為主控制器[6-7].通過其A/D轉(zhuǎn)換單元采集逆變器的輸出信號，然后產(chǎn)生所需的PWM波及SPWM波以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器，同時作為光伏PV模塊中的MPPT控制器實現(xiàn)最大功率點的實時跟蹤.圖1中，n個光伏PV模塊PV1～PVn并聯(lián)在一起，采用直流母線匯流方式為光伏電源設備提供充足的電能.在系統(tǒng)設計過程中，綜合考慮安全電壓及光伏陣列最大功率點處電壓等因素，直流母線電壓設定為36 V.為了實現(xiàn)光伏電池對直流母線的電能最大傳輸，MPPT控制器向每個DC/DC變換器(Boost)分別輸出占空比可調(diào)的驅(qū)動信號，從而使每個光伏PV模塊工作于最大功率點.電源設備模塊的主控制器能實現(xiàn)自適應閉環(huán)調(diào)節(jié)，使母線直流電經(jīng)升壓、逆變環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成可供多臺常用電器負荷使用的工頻交流電.系統(tǒng)選配額定工作電壓為24 V的鉛酸蓄電池組，有助于維持母線電壓的穩(wěn)定.控制器中設置儲能識別系統(tǒng)，在陽光輻照量充沛且電量富余的情況對蓄電池充電儲能，以應對夜間及陰雨天氣的間歇性影響.系統(tǒng)預留了并網(wǎng)插口，當系統(tǒng)的使用環(huán)境能夠滿足并網(wǎng)條件時，主控制器的鎖相環(huán)程序能控制系統(tǒng)穩(wěn)定地向電網(wǎng)側(cè)傳輸能量.

圖1 光伏系統(tǒng)的設計圖Fig.1 The design of the photovoltaic power system

圖2 多個單元系統(tǒng)的布局與控制模式圖Fig.2 The layout and control the mode of multi-unit power system

本文設計實現(xiàn)的光伏電源設備支持多臺同時運行，由于擴展了光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，在大功率集中用電的場合也能實現(xiàn)用戶的“即插即用”效果.為了匹配負荷的用電需求，依據(jù)實際情況，可以在“任意地點、任意時刻”將光伏電池板PV的數(shù)量進行增減裝卸.多個光伏電源設備可以配置多個發(fā)電單元的光伏系統(tǒng).由于每臺光伏電源設備設有對外的控制接口，均能向外發(fā)出獨立的MPPT及儲能控制信號.因此，該系統(tǒng)中的每個獨立單元能分別適應不同的光伏板輻照度及不同的負載分布情況.多個光伏發(fā)電單元的布局可以實現(xiàn)給不同的用戶分別進行獨立供電的模式.其中最為典型的方式是為旅游景區(qū)的建筑房間設計光伏系統(tǒng)布局，如圖2所示.在該系統(tǒng)中光伏板可按照最佳傾角統(tǒng)一選址安裝，建筑的每個用戶的房間都可以獲得一臺或多臺光伏電源提供的電力.

2 模塊式光伏電源的設計

本文設計的單相離網(wǎng)型光伏電源的模塊包括：①過壓過流保護裝置；②Boost升壓轉(zhuǎn)換器；③逆變器；④隔離驅(qū)動電路；⑤STM32單片機控制器；⑥直流輔助電源；⑦檢測電路.上述系統(tǒng)的整體設計框圖如圖3所示，電源設備的兩端分別是直流輸入口和交流輸出口，同時配備了外部控制接口用以連接蓄電池組等其它外部光伏系統(tǒng)設備.

圖3 電源整體設計框圖Fig.3 The overall frame design of the PV source

圖4 核心電路設計圖Fig.4 The design of the key circuit

圖5 光伏電源內(nèi)Boost電路簡化圖Fig.5 The simplified Boost circuit in the PV source

對市場現(xiàn)有的離網(wǎng)光伏電源進行調(diào)研的結(jié)果表明，為了使離網(wǎng)光伏電源適應偏遠地區(qū)地理地貌的特點，須從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和供電技術(shù)上進行改進[8].本文設計實現(xiàn)的離網(wǎng)光伏電源對以下兩方面分別進行了優(yōu)化.

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化.結(jié)構(gòu)輕量化便于設備配合地貌因地制宜地發(fā)電取電.

2)供電技術(shù)實現(xiàn)可靠性.供電的可靠性使得電器負載均能以額定值正常工作.

3 電路結(jié)構(gòu)與功能設計

光伏電源最核心部分是升壓逆變電路.圖4所示的是升壓逆變電路的硬件結(jié)構(gòu)，它的輸出穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)輕便，有效地減少了實際產(chǎn)品的體積和重量[9].圖4中展示了核心電路配合控制器實現(xiàn)穩(wěn)定輸出的閉環(huán)工作原理.

圖4的電路拓撲選擇單相全橋逆變電路，其輸出性能可滿足實際要求[10].全橋逆變器的輸入輸出關系[11]滿足：

Uo=0.707MUdc.

(1)

式中Uo為逆變器輸出電壓有效值，M為SPWM波的調(diào)制比.

本系統(tǒng)采用單極性SPWM波來驅(qū)動全橋逆變電路，具體算法中采用程序編制簡單、數(shù)值更新速度快的查表法產(chǎn)生兩路互補的SPWM波[12]，其載波頻率為15 kHz.根據(jù)載波與調(diào)制波的調(diào)制原理可知，在兩波形交點位置會產(chǎn)生單極性斬波信號的上升沿和下降沿，其極性與調(diào)制波的極性一致；交點位置由調(diào)制比M決定，M的變化可以調(diào)節(jié)SPWM波矩形脈沖的寬度[13].定義調(diào)制比M(0

(2)

式中Urm為調(diào)制波幅值，Ucm為三角載波幅值.

1)母線前級DC/DC電路采用圖4中光伏電源內(nèi)置升壓部分結(jié)構(gòu)，在電感中電流連續(xù)的情況下，輸出電壓Udc與輸入電壓UPV的關系[14]滿足：

(3)

式中D為占空比，Udc為Boost輸出電壓，UPV為光伏板輸出電壓.假設Udc的取值為恒定直流母線電壓，擾動D促使UPV穩(wěn)定在光伏陣列最大功率點處的電壓值附近，從而實現(xiàn)對光伏板電池的最大功率跟蹤(MPPT).

2)對于母線后級光伏電源設備內(nèi)置的Boost電路，若忽略電路中的損耗，即電源能量僅由輸出端負載R消耗，根據(jù)電能守恒關系將電路等效簡化為圖5結(jié)構(gòu).假設Udbus為Boost電路的電源(即直流母線)電壓.

根據(jù)最大功率傳輸定律[15]，當?shù)刃ж撦d阻抗與電源內(nèi)部阻抗共軛相等時，能夠?qū)崿F(xiàn)電源側(cè)能量對負載側(cè)的最大功率輸出.輸出電阻Ro[16]為：

Ro=(1-D)2R.

(4)

調(diào)節(jié)圖中的占空比D可使等效輸出電阻Ro趨近直流母線端的電壓源(直流母線)內(nèi)阻R內(nèi)，此時電壓源對外輸出功率逼近最大值.若保持Udbus不變，改變占空比D能改變電壓源輸出電流I的大小，其關系可用式(5)表達.當該電源的輸出功率達到最大值時，電流I同時達到峰值.

(5)

由上述分析可知：對于圖1所示的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，由于直流母線式結(jié)構(gòu)恒壓的特點，可以通過分別調(diào)節(jié)母線兩邊的DC/DC的占空比D和逆變器調(diào)制比M來調(diào)整交流輸出電壓并完成全光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤[17].由于光照條件的不確定性會導致光伏電源的輸出電壓產(chǎn)生波動，上述方法能維持輸出在設定閾值區(qū)間內(nèi).

表1 常用電器測試表Tab.1 The test of common appliances

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

為了驗證該設計方案的可行性，用制作的樣機進行了實物測試.單極性SPWM波形如圖6所示；系統(tǒng)測試如圖7所示；光伏電源的樣機如圖8所示；光伏電源聯(lián)接實物的效果如圖9所示；四種常用電器負載的測試結(jié)果如表1所示.

圖6 SPWM波形圖 圖7 系統(tǒng)測試圖 Fig.6 SPWM waveforms Fig.7 System testing

圖8 樣機圖 圖9 實物效果圖 Fig.8 The prototype Fig.9 The effect of linked appliances

在圖6中，從示波器圖像上可以觀察到一對互補導通的單極性SPWM波，波形規(guī)則且無尖刺.在圖7中，針對逆變電路、隔離驅(qū)動電路等硬件模塊進行了系統(tǒng)測試，通過圖7中的示波器可以觀察到逆變器的輸出電壓波形，其正弦曲線平滑無紋波，頻率穩(wěn)定在工頻50Hz.在圖8中，光伏電源的結(jié)構(gòu)簡易輕便，樣機各個模塊間的聯(lián)接緊湊.在圖9中，從實物測試的效果中可以看出，負載均能維持良好的運行狀態(tài).在表1中，針對四種常用電器的測試結(jié)果表明，該電源樣機能為常用類型的電器負載提供可靠的電能.

從表1的實物測試結(jié)果和實物效果圖中可以得出：作品樣機的核心部分(電路部分)能夠為常用兩插頭負載(如40 W的阻性白熾燈)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能.搭配適當?shù)慕涌谝部蓪τ谄渌孱^的電子設備(如65 W的顯示屏等)進行正常供電.從圖9也可以看出：多個負載同時接入該設備樣機時，所有負載能夠在各自額定值附近安全穩(wěn)定的運行.

5 結(jié)語

本文針對偏遠地區(qū)用戶的供電需求，設計制作了即插即用的光伏電源.文中基于該電源設計了多個單元結(jié)構(gòu)的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的具體功能、布局以及控制模式進行了研究，提出了應用于旅游景區(qū)建筑房間的光伏系統(tǒng)應用模型.試驗結(jié)果表明，多用途離網(wǎng)光伏電源設備在實物測試過程中性能達標，實現(xiàn)了光伏電源結(jié)構(gòu)輕量化和供電可靠性的優(yōu)化目的.在光照條件適宜時缺電地區(qū)的常用電器負載能通過本光伏電源系統(tǒng)高效地獲取安全穩(wěn)定的電能.本項研究成果有助于在電網(wǎng)無法完全覆蓋的偏遠地區(qū)推廣建設離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng).