獨(dú)立光伏系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

文／江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院 姚新陽(yáng) 龔在剛／

0 引言

隨著世界能源短缺問(wèn)題的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能做為國(guó)際公認(rèn)的理想替代能源得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。光伏電源是直接將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，具有無(wú)污染、無(wú)噪音、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在解決特殊領(lǐng)域供電方面起到了不可替代的作用[1]。

1 系統(tǒng)的工作原理及主要電路

系統(tǒng)主要分為充電和逆變兩個(gè)部分。太陽(yáng)能電池板輸出電壓后通過(guò)DC-DC變換和MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤，Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱MPPT)控制給蓄電池充電蓄能，而對(duì)交流負(fù)載的供電則采用先推挽升壓再進(jìn)行全橋逆變的方法，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。系統(tǒng)的總體框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)總框圖

1.1 充電電路設(shè)計(jì)

1.1.1 主電路設(shè)計(jì)

由于該系統(tǒng)功率較小，且光伏電池輸出非線性變化大，所以主電路采用單端反激式電路拓?fù)洌ㄈ鐖D2所示）。反激變換器由升降壓變換器加隔離變壓器而成，能夠簡(jiǎn)單高效地提供直流輸出，廣泛用于100W左右的小型開(kāi)關(guān)電源中[2]。太陽(yáng)電池板輸入電壓經(jīng)單端反激式開(kāi)關(guān)電源升壓后給蓄電池充電。

系統(tǒng)輸入電壓和輸入電流的采樣，選用的是TI公司的具有內(nèi)部基準(zhǔn)的超小型、低功耗的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1115。此芯片的精度高且可編程易操作，采用IIC總線和單片機(jī)之間進(jìn)行信息傳遞。

系統(tǒng)的主控單片機(jī)選用TI公司的MSP430F169。MSP430 單片機(jī)是 16 位的單片機(jī)，功能強(qiáng)，運(yùn)行的速度快。同時(shí)自帶DA，可直接輸出可變模擬電壓值，可以簡(jiǎn)化外圍電路。同時(shí)MSP430功耗低,可提高太陽(yáng)能充電的效率。

系統(tǒng)的PWM控制芯片采用的是TL494。單片機(jī)運(yùn)行MPPT程序后，將計(jì)算結(jié)果通過(guò)自帶的DA模塊轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出到TL494，改變DA值即可改變PWM信號(hào)的占空比。從而實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

圖2 反激（充電控制電路）原理圖

1.1.2 軟件設(shè)計(jì)

MPPT系統(tǒng)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。光伏充電系統(tǒng)可以等效為線性系統(tǒng)（如圖3所示）[3]，由于光強(qiáng)、溫度、太陽(yáng)光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓、輸出電流和內(nèi)阻r處于不停變化之中，只有使用DC／DC變換器并用軟件控制實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，才能保證光伏電池始終輸出最大功率。

軟件主要采用變步長(zhǎng)的爬坡算法。首先由ADS1115實(shí)時(shí)采樣太陽(yáng)能電池板輸出的電壓和電流，單片機(jī)讀入后將兩者相乘得到當(dāng)前的輸入功率，然后和前一時(shí)刻的功率進(jìn)行比較，若當(dāng)前功率大于前一時(shí)刻，則增加DA的輸出值，反之減小DA的輸出值。通過(guò)改變單片機(jī)輸出的DA值改變PWM波的占空比，從而改變DC-DC變換器的等效阻值，最終使系統(tǒng)工作于最大功率狀態(tài)。

圖3 線性系統(tǒng)電路圖

同時(shí)，爬坡法的步長(zhǎng)也采取可變步長(zhǎng)的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的位置步長(zhǎng)較大，而在最大功率點(diǎn)附近步長(zhǎng)較小。這種方式可以大大提高系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的跟蹤速度，減小在最大功率點(diǎn)附近的震蕩幅度。

MPPT控制程序流程圖如圖4所示。

圖4 MPPT算法流程圖

由于單端反激式電路輸入級(jí)電流不連續(xù)以及干擾信號(hào)等原因，ADS1115采樣到的信號(hào)存在毛刺，因此，在軟件上采取了數(shù)字濾波。在多次測(cè)量的基礎(chǔ)上，還對(duì)采樣到的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，去掉若干最大與最小值后再對(duì)剩余的數(shù)據(jù)求平均，從而得到當(dāng)前的電壓或電流值。這樣做有效減小了尖峰信號(hào)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

1.2 逆變電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)逆變一般采用先逆變后升壓的方式, 成本高、電路復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy且波形質(zhì)量不是很好。而本系統(tǒng)采用高頻逆變，將蓄電池直流電先經(jīng)直流升壓生成穩(wěn)定的350V直流電, 再經(jīng)逆變電路轉(zhuǎn)換成220V/50Hz交流電。電路較傳統(tǒng)逆變簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)于輸出波形質(zhì)量有很大改善。逆變部分的主要框圖如圖5所示。

圖5 逆變電路原理圖

1.2.1 DC-DC升壓電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用推挽升壓電路（如圖6所示），其特點(diǎn)是高頻變壓器必須具有中心抽頭,適用于低電壓大電流的場(chǎng)合, 廣泛應(yīng)用于功放電路和開(kāi)關(guān)電源中[4]。以SG3525作為PWM波的控制芯片。它的主要特點(diǎn)是:輸出級(jí)采用推挽輸出，工作頻率高，可達(dá)400kHz，具有欠壓鎖定、過(guò)壓保護(hù)等功能。產(chǎn)生的PWM波經(jīng)三極管放大后再送給IRF3205。

圖6 推挽升壓原理電路圖

1.2.2 SPWM控制電路設(shè)計(jì)

逆變器的工作方式采用SPWM控制方式，SPWM波的產(chǎn)生采用規(guī)則采樣法。具體做法是：首先將逆變電路反饋的交流電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)平均值電路得到一個(gè)直流反饋量，該反饋量再與直流給定量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，使反饋量跟隨給定量。這種直流PI調(diào)節(jié)控制方便準(zhǔn)確，靈活性強(qiáng)。接著用模擬乘法器將參考正弦波和上述PI調(diào)節(jié)器輸出電壓進(jìn)行正弦調(diào)制。然后將調(diào)制的正弦波通過(guò)精密整流以后再整體抬高0.7V，與TL494內(nèi)部的三角波相比較，從而得到SPWM波，控制逆變電路的開(kāi)關(guān)管。

1.2.3 逆變主電路設(shè)計(jì)

正弦波逆變采用單向全橋逆變，整個(gè)電路容易達(dá)到大功率，且損耗低、效率高、驅(qū)動(dòng)容易、可靠性大大提高（如圖7所示）。

圖7 單相全橋逆變?cè)韴D

四個(gè)開(kāi)關(guān)器件Q7、Q8、Q9與Q10構(gòu)成全橋逆變電路的兩組橋臂。其中對(duì)角線上的兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件工作狀態(tài)相同，即同時(shí)關(guān)斷、同時(shí)導(dǎo)通。通過(guò)SPWM脈沖控制四個(gè)開(kāi)關(guān)器件，使得兩條回路以相同的開(kāi)關(guān)頻率交替導(dǎo)通，且每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的占空比均小于50%，留出一定死區(qū)時(shí)間以避免上下橋臂互通短路[5]。最后經(jīng)過(guò)LC濾波后即可得到逆變出來(lái)的正弦波。

2 系統(tǒng)測(cè)試

充電部分的測(cè)試方法采用電源箱串接內(nèi)阻模擬光伏電池的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，若最大功率算法有效，則輸入控制電路的電壓值應(yīng)等于串接的內(nèi)阻上的壓降。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

電源箱輸出電壓 內(nèi)阻壓降 輸入電壓22.0V 10.9V 11.1V 19.0V 9.6V 9.4V 16.0V 8.0V 8.0V 13.0V 6.5V 6.5V 10.0V 5.1V 4.9V

[1]沈輝,祖勤.太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2]張占松，蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)(修訂版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[3]盧琳，殳國(guó)華，張仕文.基于MPPT的智能太陽(yáng)能充電系統(tǒng)研究[J].Power Electronics,2007.

[4]吳建進(jìn),魏學(xué)業(yè),袁磊.一種推挽式直流升壓電路的設(shè)計(jì)[J].電氣自動(dòng)化,2011，33(2).

[5]黃春春,楊喜軍,張哲民,姜建國(guó).基于全橋逆變-全橋整流方案車載開(kāi)關(guān)電源的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動(dòng)化,2009,31(6).