獨立光伏系統的研究與設計

文／江蘇大學電氣信息工程學院 姚新陽 龔在剛／

0 引言

隨著世界能源短缺問題的日益嚴重，太陽能做為國際公認的理想替代能源得到越來越廣泛的應用。光伏電源是直接將太陽光能轉換成電能的裝置，具有無污染、無噪音、維護簡單等優點，在解決特殊領域供電方面起到了不可替代的作用[1]。

1 系統的工作原理及主要電路

系統主要分為充電和逆變兩個部分。太陽能電池板輸出電壓后通過DC-DC變換和MPPT (最大功率點跟蹤，Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)控制給蓄電池充電蓄能，而對交流負載的供電則采用先推挽升壓再進行全橋逆變的方法，將直流電轉換為交流電。系統的總體框圖如圖1。

圖1 系統總框圖

1.1 充電電路設計

1.1.1 主電路設計

由于該系統功率較小，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撲（如圖2所示）。反激變換器由升降壓變換器加隔離變壓器而成，能夠簡單高效地提供直流輸出，廣泛用于100W左右的小型開關電源中[2]。太陽電池板輸入電壓經單端反激式開關電源升壓后給蓄電池充電。

系統輸入電壓和輸入電流的采樣，選用的是TI公司的具有內部基準的超小型、低功耗的16位模數轉換器ADS1115。此芯片的精度高且可編程易操作，采用IIC總線和單片機之間進行信息傳遞。

系統的主控單片機選用TI公司的MSP430F169。MSP430 單片機是 16 位的單片機，功能強，運行的速度快。同時自帶DA，可直接輸出可變模擬電壓值，可以簡化外圍電路。同時MSP430功耗低,可提高太陽能充電的效率。

系統的PWM控制芯片采用的是TL494。單片機運行MPPT程序后，將計算結果通過自帶的DA模塊轉換成模擬電壓輸出到TL494，改變DA值即可改變PWM信號的占空比。從而實現MPPT控制。

圖2 反激（充電控制電路）原理圖

1.1.2 軟件設計

MPPT系統是一種通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統。光伏充電系統可以等效為線性系統（如圖3所示）[3]，由于光強、溫度、太陽光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓、輸出電流和內阻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現負載的動態變化，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的爬坡算法。首先由ADS1115實時采樣太陽能電池板輸出的電壓和電流，單片機讀入后將兩者相乘得到當前的輸入功率，然后和前一時刻的功率進行比較，若當前功率大于前一時刻，則增加DA的輸出值，反之減小DA的輸出值。通過改變單片機輸出的DA值改變PWM波的占空比，從而改變DC-DC變換器的等效阻值，最終使系統工作于最大功率狀態。

圖3 線性系統電路圖

同時，爬坡法的步長也采取可變步長的方式進行調節，在離最大功率點較遠的位置步長較大，而在最大功率點附近步長較小。這種方式可以大大提高系統啟動時的跟蹤速度，減小在最大功率點附近的震蕩幅度。

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電流不連續以及干擾信號等原因，ADS1115采樣到的信號存在毛刺，因此，在軟件上采取了數字濾波。在多次測量的基礎上，還對采樣到的數據進行排序，去掉若干最大與最小值后再對剩余的數據求平均，從而得到當前的電壓或電流值。這樣做有效減小了尖峰信號對測量數據的影響。

1.2 逆變電路設計

傳統逆變一般采用先逆變后升壓的方式, 成本高、電路復雜、調試困難且波形質量不是很好。而本系統采用高頻逆變，將蓄電池直流電先經直流升壓生成穩定的350V直流電, 再經逆變電路轉換成220V/50Hz交流電。電路較傳統逆變簡單、成本較低、對于輸出波形質量有很大改善。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升壓電路設計

本系統采用推挽升壓電路（如圖6所示），其特點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合, 廣泛應用于功放電路和開關電源中[4]。以SG3525作為PWM波的控制芯片。它的主要特點是:輸出級采用推挽輸出，工作頻率高，可達400kHz，具有欠壓鎖定、過壓保護等功能。產生的PWM波經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控制電路設計

逆變器的工作方式采用SPWM控制方式，SPWM波的產生采用規則采樣法。具體做法是：首先將逆變電路反饋的交流電壓信號經過平均值電路得到一個直流反饋量，該反饋量再與直流給定量進行PI調節，使反饋量跟隨給定量。這種直流PI調節控制方便準確，靈活性強。接著用模擬乘法器將參考正弦波和上述PI調節器輸出電壓進行正弦調制。然后將調制的正弦波通過精密整流以后再整體抬高0.7V，與TL494內部的三角波相比較，從而得到SPWM波，控制逆變電路的開關管。

1.2.3 逆變主電路設計

正弦波逆變采用單向全橋逆變，整個電路容易達到大功率，且損耗低、效率高、驅動容易、可靠性大大提高（如圖7所示）。

圖7 單相全橋逆變原理圖

四個開關器件Q7、Q8、Q9與Q10構成全橋逆變電路的兩組橋臂。其中對角線上的兩個開關器件工作狀態相同，即同時關斷、同時導通。通過SPWM脈沖控制四個開關器件，使得兩條回路以相同的開關頻率交替導通，且每個開關器件的占空比均小于50%，留出一定死區時間以避免上下橋臂互通短路[5]。最后經過LC濾波后即可得到逆變出來的正弦波。

2 系統測試

充電部分的測試方法采用電源箱串接內阻模擬光伏電池的方法進行實驗，若最大功率算法有效，則輸入控制電路的電壓值應等于串接的內阻上的壓降。

實驗結果如下：

電源箱輸出電壓 內阻壓降 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.太陽能光伏發電技術[M].北京:化學工業出版社,2005.

[2]張占松，蔡宣三.開關電源的原理與設計(修訂版)[M].北京:電子工業出版社,2004.

[3]盧琳，殳國華，張仕文.基于MPPT的智能太陽能充電系統研究[J].Power Electronics,2007.

[4]吳建進,魏學業,袁磊.一種推挽式直流升壓電路的設計[J].電氣自動化,2011，33(2).

[5]黃春春,楊喜軍,張哲民,姜建國.基于全橋逆變-全橋整流方案車載開關電源的研究與實現[J].電氣自動化,2009,31(6).