家用光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計與MPPT控制

張昌華

(湖北民族學院 信息工程學院，湖北 恩施 445000)

圖1 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)原理圖

太陽能作為一種理想的清潔能源，其應用越來越被人們所重視，大型光伏發(fā)電廠的不斷建立就是一個很好的證明.然而，中國電力的短缺問題并沒有因為大型電站的不斷建立得到根本性改變，因此，推廣小型家用光伏發(fā)電系統(tǒng)無疑是解決這一問題的有效途徑之一.基于這一背景，本文以家庭用電特點為基礎，設計了一種小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，一定程度上實現(xiàn)了光伏發(fā)電控制技術與家庭用電實際的有效融合.

1 系統(tǒng)設計

家用光伏發(fā)電系統(tǒng)結構主要由主電路和控制電路兩大部分組成，如圖1所示.主電路包括普通市場供電(簡稱市電)和太陽能供電兩個系統(tǒng)，它們之間通過全控型繼電器K1和K2進行切換，而且以風光互補發(fā)電系統(tǒng)供電為主，市場供電為輔.太陽能供電系統(tǒng)是主電路的核心部分，主要包括光伏電池組、直流變換電路、蓄電池電路以及升壓逆變電路.

控制電路以ATmega128單片機[1]為核心，采用該芯片的可編程PWM資源實現(xiàn)直流斬波電路[2]的控制和逆變電路的控制；通用I/O接口實現(xiàn)開關K1和K2的切換控制、蓄電池的三段式充放電控制[3]以及鍵盤、顯示等功能；內(nèi)部集成的A/D轉換器完成電路控制中必要參數(shù)的檢測.整個控制電路的驅(qū)動電路均采用IR2110集成驅(qū)動芯片設計[4]，電源由光伏發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池和市電互補供電.

(a)相同溫度不同光照下P-U曲線;(b)相同光照不同溫度下P-U曲線

圖3 功率變換器原理圖

2 MPPT控制策略

2.1 控制原理

圖2示出了光伏電池在相同溫度不同光照和相同光照不同溫度時的輸出特性曲線[5].從功率-電壓曲線可以看出太陽能電池具有明顯的非線性特性[6-7]，同時，在一定的光照和溫度情況下，太陽能電池具有唯一的最大功率點，要輸出當前工作狀態(tài)下的最大功率，太陽能電池必須工作在最大功率點處.

光伏電池的最大功率跟蹤控制可以通過功率變換器實現(xiàn)，系統(tǒng)模型如圖3所示.

忽略變換器自身的功率損耗，可以得出當光伏電池組工作于最大功率點時必須滿足:

(1)

其中:Ri表示從光伏電池輸出端看進去的輸入電阻，Rs表示光伏電池組的等效內(nèi)阻，α和M分別表示Buck-boost變換器占空比和逆變器的SPWM調(diào)制比.

為了有效減小輸出諧波值，逆變器采用單極性倍頻SPWM調(diào)制[8]，設輸出基波電壓電流有效值分別為V0和I0，在光伏最大功率點處有:

(2)

其中:Vs表示光伏電池組輸出電壓值.由式(1)和式(2)可得:

(3)

從上面的推導結果可以看出，通過實時調(diào)整直流斬波電路的占空比α和逆變電路的SPWM調(diào)制比M，可以實現(xiàn)光伏電池組的最大功率跟蹤控制.由于存在兩個控制變量α和M，在整個控制過程中，可以避免占空比α接近于0或1的極限情況，也可以避免調(diào)制比M過大和過小，從而使α和M分別控制在0.5和0.8左右的理想情況附近，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制.

2.2 控制方法

最大功率跟蹤控制方法較多，常用的有恒定電壓法、擾動觀察法、導納增量法等，不同的方法有各自的優(yōu)缺點[5].為了減小跟蹤暫態(tài)時間，本設計采用改進型擾動觀察法，該方法控制思路簡單，功率跟蹤實現(xiàn)容易.具體步驟為，首先對占空比α和調(diào)制比M根據(jù)式(1)設置初值，設置的標準為盡量使α和M分別在0.5和0.8附近，負載RL值可以通過輸出電壓電流的測量進行粗略估算，Rs值取光伏電池組平均值；初值設置完成后，采用普通擾動觀察法進行最大功率跟蹤.該方法在溫度或者光照強度變化較頻繁的情況下，可以大大縮小最大功率跟蹤時間，從而提高系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性.

2.3 方案實現(xiàn)

對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行最大功率跟蹤(MPPT)控制是最大程度利用能源的有效途徑.本系統(tǒng)從硬件電路設計入手，結合單片機軟件采用5種工作狀態(tài)對應用戶的4種不同用電情況，詳細方案如表1所示.

當用戶用電量很大時(如冬天多個電加熱爐取暖)，必須由光伏發(fā)電系統(tǒng)和市電并聯(lián)供電，以滿足用電要求.當用戶用電量較大時(如中午用電爐做飯等)，如果光伏電池組發(fā)電量能滿足供電要求，可以采用MPPT控制，從而實現(xiàn)最大功率輸出.但是，普通家用電器必須由市電供電.如果用戶用電量較大而光伏電池組發(fā)電量不能滿足供電要求時，必須由光伏電池組和蓄電池共同供電，此時不能實現(xiàn)MPPT控制.當白天用戶用電量很小時，只有家用電器工作，此時可以對蓄電池進行充電，同時對家用電器提供220伏電源供電.當光照很弱或者晚上時，部分時間可以采用蓄電池供電，如果蓄電池電量不足，則必須切換至市電進行供電.

圖4 系統(tǒng)主程序流程圖

表1不同工作狀態(tài)的MPPT控制策略

Tab.1 MPPT control strategies of different working modes

工作狀態(tài)時間和用電情況供電電源MPPT控制策略狀態(tài)0白天,超大用電量光伏電池組+市電無狀態(tài)1白天,大用電量光伏電池組+蓄電池無狀態(tài)2白天,大用電量光伏電池組可實現(xiàn)MPPT控制狀態(tài)3白天,小用電量光伏電池組可對蓄電池進行MPPT充電控制狀態(tài)4晚上市電或蓄電池無

2.4 軟件設計

單片機軟件主要實現(xiàn)電壓電流采樣、直流斬波電路控制、逆變電路控制、參數(shù)設置以及光伏發(fā)電與市電的互補供電控制等功能，其中參數(shù)設置通過鍵盤采用中斷方式完成，未設置時使用默認值.圖4為整個控制系統(tǒng)的主程序流程圖.其中采樣部分完成電壓、電流采集和傳感器信號采集.參數(shù)Flag1表示光電傳感器標志位，1和0分別表示白天和晚上，參數(shù)Flag2表示輸出功率分標志位，取0、1和2三個值，分別表示超大用電量、大用電量和小用電量.

3 仿真和結果分析

為了分析系統(tǒng)的運行狀況并驗證MPPT控制算法的有效性，采用Matlab軟件對系統(tǒng)工作在狀態(tài)2時的情況進行了仿真.仿真時，采用直流電源加電位器模擬太陽能電池的輸出特性，采用Simulink的用戶自定義模塊模擬單片機的功能，實現(xiàn)參數(shù)測量和系統(tǒng)控制，仿真模型如圖5所示.

在虛擬單片機模塊中編寫MATLAB程序，用來對比仿真擾動觀察法改進前后的輸出功率波形，仿真結果如圖6所示.其中，曲線a表示擾動觀察法改進前輸出功率波形，曲線b表示擾動觀察法改進后輸出功率波形.從仿真結果可以看出，系統(tǒng)輸出有功功率穩(wěn)定，同時，對擾動觀察法改進后可以一定程度減小最大功率搜索時間.

圖5 系統(tǒng)仿真模型 圖6 輸出功率波形

4 結論

采用AVR單片機設計了一種適用于家庭用戶的光伏發(fā)電系統(tǒng)，引入了MPPT控制策略極大的提高了系統(tǒng)的能源利用效率，在充分利用不同地域的太陽能資源方面，具有較高的經(jīng)濟實用價值和市場推廣價值.

參考文獻:

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