分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與應用

鄭永恒 孫小龍 屈 鵬 朱兆元

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西 西安 710000；2.中廣核新能源陜西分公司，陜西 西安 710000）

能源是促進人類社會進步的重要因素，我國的能源需求隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的不斷升級而提升。能源問題日益突出，主要包括環(huán)境污染，能源短缺以及資源分配不均造成的沖突。

我國相對世界各地都有著非常豐富的太陽能資源，這得益于我國的幅員遼闊。同時我國也非常注重清潔能源的發(fā)展，并給予了政策上的大力支持。在這種官方背書的背景下，集群化和區(qū)域化成為我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀，在互補和合作中競爭不僅提高了產(chǎn)業(yè)鏈上中下游各企業(yè)的產(chǎn)品性能，而且也為新能源平價電平添活力，為光伏產(chǎn)業(yè)標準化和規(guī)模化開辟了一條具有競爭力的道路。雖然前景光明，但挑戰(zhàn)與機遇并存，光伏產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展存在投資規(guī)模升級的同時，對于我們產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平也同樣提出了很高的要求。隨著投資規(guī)模的擴大，光伏產(chǎn)業(yè)鏈的上下游都面臨著不同的競爭，但毋庸置疑的是光伏產(chǎn)業(yè)已是中國清潔能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展布局的重點之一。

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否依托大型電網(wǎng)可以分為兩類：一種是常見的并網(wǎng)光伏系統(tǒng)，另一種則是獨立光伏系統(tǒng)，獨立光伏系統(tǒng)雖然沒有與大電網(wǎng)進行連接，可應用場景廣泛、運用靈活，一直是研究的熱門。本文研究了分布式獨立光伏系統(tǒng)，在硬件部分考慮了元器件的適配性并完成了參數(shù)上的整定。設計了降壓型BUCK 功率變換回路、MOSFET 驅(qū)動電路、PWM 調(diào)制電路以及DC/DC 變換器的應用，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

本課題采用PICl6F877A 單片機作為主控單元，并且對軟件總體設計思路進行簡述，完成對蓄電池充電及放電過程的保護。

1 太陽能充電控制系統(tǒng)硬件設計

本文的分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分完成了兩項任務：控制蓄電池完成充放電、對直流電進行逆變以便適應交流負載。其中控制蓄電池完成充放電是開源節(jié)流的第一步，要將太陽能電池和蓄電池的電池特性結(jié)合起來，完成對高效充電和放電的控制。太陽能電池中不穩(wěn)定的電能依靠電力電子元器件完成了電力變換，其各項指標均適合蓄電池完成良好充電。圖1 為基于DC/DC 變換電路的充放電控制器。

為了提高控制器的可靠性，采用PIC16F877 單片機作為主控芯片，它可以監(jiān)測電池電壓和充放電過程中的電流，再結(jié)合環(huán)境溫度進行溫度補償，完成充放電過程的控制。同時也采用PWM 脈沖調(diào)制控制保護技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)現(xiàn)有充放電倍率確定過充、放點，保證充電過程迅速可靠，也保證充電時溫度補償，充電過程完全符合I-U 曲線，使蓄電池的使用壽命得到延長。分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)不僅要考慮充放電控制，也要令太陽能電池盡可能維持在最大功率出力。本文采用BUCK 電路來實現(xiàn)最大功率跟蹤，BUCK 電路中開關(guān)管導通的占空比的改變，對光伏陣列而言表現(xiàn)為其輸出阻抗發(fā)生了變化，將影響光伏陣列的輸出特性。從而一定的輸出阻抗對應一個輸出電壓值和輸出電流值。而MPPT 技術(shù)即是通過調(diào)節(jié)BUCK 電路的占空比而改變光伏陣列的輸出阻抗，從而尋求輸出電流與輸出電壓的乘積即輸出功率的最大值。由BUCK 電路實現(xiàn)MPPT 技術(shù)時，光伏陣列的輸出電壓高于蓄電池的端電壓時，才能實現(xiàn)較好的調(diào)節(jié)。當光伏陣列的輸出電壓低于蓄電池端電壓時，BUCK 電路的控制失去作用。由此，本文采用DC/DC 變換器來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[1]。

2 MPPT 控制算法實現(xiàn)

電導增量法與擾動觀察法略有不同，它雖也是根據(jù)dP/dV 的方向完成MPPT 控制，避免了功率損失問題。電導增量法需采集太陽能電池陣列的輸出電壓和輸出電流，并結(jié)合功率對電壓的變化率判斷是否到達最大功率點以完成追蹤。通過光伏電池陣列P-V 曲線可知最大功率點P 處的斜率為零，所以在最大功率點處有：

1.當dP/dV=0 時，光伏電池工作在最大功率點處。

2.當陣列電壓增加時，dP/dV＞0。

3.當陣列電壓減小時，dP/dV＜0。

采用電導增量法實際上是在實時改變光伏電池的工作電壓，令其與最大功率處電壓相匹配，相對擾動觀察法更能適應光照的快速變化，但對電路硬件的要求很高，成本相對要高。

本文中功率最大點跟蹤由DC/DC 變換器實現(xiàn)，本文選擇BUCK 型結(jié)構(gòu)，具有方便成本低等優(yōu)點[2]。

BUCK 變換器輸出電壓在電感電流連續(xù)時為：

式中，D 為占空比，暨開關(guān)管導通時間ton 與開關(guān)管一個控制周期Ts 的比值；BUCK 變換器通過PWM波控制占空比將太陽能電池輸入電壓VIN 轉(zhuǎn)換為可控的輸出電壓Vo。

3 控制系統(tǒng)硬件電路設計

基于PIC16F877 單片機芯片的控制系統(tǒng)框圖如圖2所示，控制系統(tǒng)包括：電源輔助電路部分、保護電路、總線接口部分、驅(qū)動電路、信號檢測部分、PIC16F877單片機。

在電池充放電的過程中，主控芯片PIC16F877 單片機會根據(jù)反饋的電壓、電流信息判斷蓄電池和光伏電池的狀態(tài)，并調(diào)節(jié)參考電壓、調(diào)整占空比等。功率回路中DC/DC 變換器將光伏電池輸出的直流電調(diào)節(jié)成所需的電壓、電流，完成能量的變換傳遞。[3]

驅(qū)動電路的設計思路如下：所有PWM 信號經(jīng)由驅(qū)動電路隔離并放大來驅(qū)動MOSFET 準確執(zhí)行導通與截止。本文采用三角波作為PWM 調(diào)制器載波，振蕩的峰值Upp=3V，調(diào)制解調(diào)器使用TL494 實現(xiàn)。采用的三角波內(nèi)部阻容振蕩頻率可表示為：

電流采樣電路思路如下：單片機不能直接接收采樣出來的電壓信號，需經(jīng)過集成運放LM358 線性放大后輸入到單片機中[4]。

回路電流在阻值低、精度高的康銅絲電阻上產(chǎn)生的壓降作為輸入連接到運放的反向輸入端上[5]。其中：

由于U1＜0，單片機采集到的是回路電流經(jīng)過康銅絲電阻的壓降十倍放大的數(shù)值。本電流采樣電路中的康銅絲阻值為10 毫歐，若回路電流為3A 時產(chǎn)生的壓降U1=-0.03V，則此時單片機采集的是U7=0.3V。當回路中產(chǎn)生短路電流為16A 時，U1=-0.16V，而此時U7=1.6V。在軟件程序計算中要考慮不同采樣時刻的電流值，便可以計算出采樣電壓值，進而可以對功率進行計算[6]。

單片機采集的電壓信號使用簡單的電阻分壓電路，分配到單片機里采樣電壓占比為2.4/49.4=0.049，當輸出電壓值分別為額定值45.6V、2V(白天轉(zhuǎn)黑夜的判斷電壓值)、50.7V（開路電壓）時，單片機采集的電壓U0分別為1.88V、0.097V、1.97V，其中在黑白轉(zhuǎn)換時采集的電壓0.097V 經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后的值為56。以上完全滿足PIC16F877 的I/O 端口的要求。

電源電路是分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的一部分，電源電路設計得是否合理對產(chǎn)品性能有著很大的制約。本系統(tǒng)直接采用太陽能電池板中所傳輸?shù)碾娔埽瑹o需單獨對外接電源進行設計[7]，只需要為三極管等原件設計輔助電源，本系統(tǒng)中輔助電源設計為15V 和3.3V 兩種，因分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)未與大電網(wǎng)連接，故所有電能的來源都來自太陽能電池板，同時為了做好電源系統(tǒng)的可靠性，所有系統(tǒng)供電都需依賴蓄電池。本系統(tǒng)中的蓄電池正常工作范圍在42V～48.5V 之間。蓄電池45V 的額定電壓經(jīng)過冠限流后，先通過三端穩(wěn)壓器7812 得到輔助電源所需的15V 電壓。然后穩(wěn)壓二極管IN4733 得到5.1V 的電壓，進行分壓后，再經(jīng)穩(wěn)壓器AS117，得到3.3V 的穩(wěn)定電壓，為單片機提供了可靠穩(wěn)定的輔助電源。[8]

4 仿真驗證

在MATLAB 的Simulink 中采用可變步長的ode23tb(stiff/'TR-BDF2)進行仿真，設定初始環(huán)境溫度為250C，把光強從1000W/m2調(diào)節(jié)到800W/m2，設定仿真時間為0.03 秒，MPPT 和PWM 的采樣周期均設為0.001e。

最大功率跟蹤系統(tǒng)時刻以采樣的功率和電壓作為參考值對輸出功率進行調(diào)整。系統(tǒng)的最大功率跟蹤在經(jīng)過約0.006s 之后基本趨于穩(wěn)定。對進行電壓環(huán)自適應擾動法的仿真系統(tǒng)不斷地進行功率和電壓的調(diào)整，功率最大值經(jīng)過約0.006s 之后趨于穩(wěn)定，并且此時振蕩值較小。

采用BUCK 變換電路實現(xiàn)最大功率跟蹤，系統(tǒng)在固定波長時輸出電流電壓波形相較于輸入BUCK 的功率波形和輸出BUCK 的功率波形來看，輸出功率隨著輸出電流的降低而減小；由于輻射強度的不同，輸出電流分別穩(wěn)定在3.2A 和2.7A 左右，而電壓變化較小，很快趨于穩(wěn)定，最大工作點電流并不是在其短路電流處，通過調(diào)節(jié)DC/DC 的占空比，使系統(tǒng)快速獲得最大功率點。

5 結(jié)論

本文分析了分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設計、蓄電池充放電控制原理，討論了通過調(diào)節(jié)BUCK電路實現(xiàn)MPPT 的方法，并且對其仿真效果進行了分析，最終利用自適應擾動觀察算法進行最大功率點的追蹤。

采用PIC16F877 芯片作為分布式獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的主控單元，使用BUCK 電路拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)最大功率跟蹤，同時使用PWM 預防蓄電池的過充電、放電，令其完全符合I-U 曲線，從而更好地保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命，進而最大程度地利用太陽能電池產(chǎn)生的電能。另外，對本系統(tǒng)中的驅(qū)動電路、采樣電路、輔助電源電路等部分進行了討論，使本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)完備齊全。

對于分布之獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了整體的介紹和討論，同時在硬件上設計了接口電路，為后續(xù)獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制提出了一個可行之法，也為獨立發(fā)電系統(tǒng)遠距離工作狀態(tài)監(jiān)控提供了良好的解決方案。