孙 超，郭 勇，刘征威，陈 新

南京航空航天大学,江苏 南京  210016

Research and Design of the Stand Alone Photovoltaic System
                    SUN Chao, GUO Yong,LIU Zheng-Wei, CHEN Xin
(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract:The common structure of photovoltaic system is introduced at first in this paper, and then the design of stand alone photovoltaic system is proposed .For the sake of researching the algorithm of the MPPT, the model of solar cell for simulation is established, and then the two popular methods ,P&O and INC,are validated by simulation with the model created previously. After that  the three stage charging strategy and the management for the battery is introduced. At last, the result of experiment confirms the good feasibility of this stand alone photovoltaic system.

Keywords: Photovoltaic; MPPT; Battery Management

0   引 言

随着时代的发展和进步,人类对能源的需求越来越多。然而煤、石油、天然气等传统能源是有限的,能源问题已经成为一个刻不容缓的问题,因此也对人类提出了两个要求,一是节约能源,二是开发新能源。而开发新能源才是解决能源问题的根本,太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分,各发达国家已经投入了大量的人力、物力进行研究开发和应用。

      目前,在独立运行的光伏发电系统中,普遍采用的结构如图1所示,首先利用太阳能电池来收集太阳能,再经过DC/DC变换器给蓄电池充电,由于蓄电池的电压较低,往往无法满足逆变的要求,因此还需要一个升压变换器,将直流电压升高,最后再通过逆变器将直流电转化为220V/50Hz的交流电供用户使用。然而,在利用太阳能电池给蓄电池充电的过程中,一方面,由于太阳能电池的输出特性,其工作点并不是时刻工作在最大功率点附近,从而造成了太阳能电池能量的浪费,而最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)恰恰能解决这一问题;另一方面,统计资料显示,由于充放电控制不合理导致的蓄电池提前失效占蓄电池总失效数的85%左右,从而蓄电池的充放电管理就显得尤为重要。因此,在设计太阳能充电器时,在注重太阳能电池最大功率点跟踪的同时,又要考虑蓄电池的充放电特性。本文在给出了独立型光伏系统设计的同时,又着重研究了太阳能电池的最大功率点跟踪和蓄电池的管理。

                                                图1  独立运行光伏发电系统框图

1   独立型光伏系统的设计

由于设计的是独立型的光伏转换系统,因此蓄电池是必不可少的一部份,因此在太阳能电池和蓄电池之间加入一级DC/DC变换器(充电器)以实现最大功率点跟踪和蓄电池的充放电管理。另外由于英飞凌论文竞赛的限定配置为4节12V/7Ah的铅酸蓄电池,因此无论4节电池如何串、并联组合,其输出电压都无法达到满足逆变要求的直流母线电压,因此在蓄电池和逆变器输入之间还需要加入一级升压电路,以提升直流侧电压。所以加上最后的逆变器,从太阳能电池的输出到系统的输出,太阳能经过了三级变换,分别是DC/DC变换、升压变换、逆变。如果从蓄电池的输出到系统输出算起,蓄电池能量经过了两级变换,分别是升压和逆变。这三级变换器在此应用中也是必不可少的,都有各自的功能和作用:DC/DC变换器实现MPPT和蓄电池的充电管理;升压变换器提升直流侧电压和实现对蓄电池的放电管理;逆变器将直流侧电压逆变为交流电压。

因此为本组采用了这种比较传统的三级式系统构架,系统框图如图2所示。这种构架的特点是可靠、控制相对独立简单,便于系统的软件硬件的模块化设计。

                                           图2  独立运行光伏发电系统控制框图

1.1   充电器拓扑的选择

在本文所设计的独立运行的光伏转换系统中，需要蓄电池储存太阳能电池的能量，以备在没有日照的情况下使用。那么蓄电池就成了独立光伏系统中必不可少的一个组成部分，采用4节12V、7Ah的铅酸蓄电池两串两并组成，蓄电池组电压为24V。厂家提供的太阳能电池板的输出开路电压为43.5V，在额定工作条件下的最大功率点所对应的电压为34.8V，电流为4.89A，功率为170W，由于太阳能电池最大功率时的电压大于选定的蓄电池组电压，因此选用Buck变换器作为充电电路，如图2所示，并在太阳能电池板的输出端串联一个二极管VDr，防止蓄电池的能量向太阳能电池反灌，损坏PV板。另外由于Buck变换器的输入电流断续，因此在Buck变换器的输入端并联一个容值较大的电解电容，使太阳能电池的输出电流连续。

1.2   升压变换器拓扑的选择

可以实现升压的变换器有Boost变换器、推挽变换器、全桥变换器、半桥变换器、单管正激和双管正激变换器等。其中Boost是输入输出不隔离的,其他五个都是隔离型的变换器,为了同时实现升压和隔离的功能,因此Boost变换器被排除掉。而剩下的几种变换器中,单管正激不适合这种1000W的功率等级,因此也被排除掉。全桥、半桥、双管正激变换器又比较适合高压向低压变换的场合,而本系统的输入为直流24V蓄电池电压,输出为交流380V,其输入侧的电压较低,电流较大,以上三种变换器并不适合,因此只剩下最适合这种低压大电流场合的推挽变换器。而推挽变换器采用推挽正激变换器又存在变压器偏磁的问题,为了解决这个问题,对推挽电路做了一点改进,在原有电路的基础上加了一个箝位电容C2,成了推挽正激电路。推挽正激电路的优点是,既保留了推挽电路适合低电压大电流的输入场合特点,又由于箝位电容C2的存在可以很好地控制原边开关的电压尖峰,有效地抑制了推挽电路变压器偏磁,因此升压变换器采用推挽正激电路。

1.3   逆变器拓扑选择

常用逆变器的拓扑有全桥和半桥两种形式。全桥逆变电路的特点是适合大功率、高压输入场合,另外它还有直流电压利用率高的优点。由于全桥比半桥具有更高的直流电压利用率,因此在本系统中采用全桥逆变电路。

1.4   控制资源的分配

基于以上的系统构架和拓扑选择,又对控制资源进行了配置。这里采用两个以英飞凌单片机为核心的控制板。

(1)其中一个控制板用于控制充电器和升压变换器,它要实现以下功能:

①最大功率跟踪;

②蓄电池充电管理及过充、过放保护;

③升压电路输出稳压及保护。

这块控制板采样太阳能电池输出电压和输出电流,用以寻找太阳能电池的最大功率点(MPP);对变换器的输出电流和蓄电池的电压进行采样,用于蓄电池的充放电管理。另外通过采样变换器的输出电压,通过MCU计算后得出占空比,控制其输出电压稳定在380V,以供后边的逆变器可以逆变出220V/50Hz的交流电压。

(2)另一个控制板用于控制逆变器,它实现以下功能:

①双极性SPWM控制;

②输出过流保护。

逆变器的控制板采样输出电压,送入MCU,在MCU中,采取全数字双极性SPWM的控制策略,MCU输出的占空比经过驱动电路去驱动全桥的四个IGBT,使逆变器输出电压达到要求。还要对逆变器输出电流采样,进行过流保护。

另外值得一提的是,充电器和升压电路的控制共同使用一块控制板,此控制板和逆变器的控制使用的另一块控制板在硬件上是完全一样的,都是采用XC164SM为核心,只是软件有所不同而已,所以控制板具有良好的通用性与互换性。

控制电路的核心选用英飞凌公司的16位单片机XC164SM,其时钟频率为40MHz,它具有强大的外设资源,其中包括一个ADC模块,支持16路信号的采样,AD转换结果的精度为10位或8位,AD转换速度最快为1.65μs;它还有两个捕获比较单元,用它既可以产生PWM信号,又可以实现对外部脉冲信号进行捕获;另外还具有两个定时器模块,它不仅可以产生定时中断,还可以对外部的脉冲信号进行计数;它还包括两个同步并行通信接口(SPI)和两个同步串行通信接口(SCI),利用这些接口可以实现单片机与上位机以及外部设备的通讯。

2   独立光伏发电系统关键技术研究

2.1   最大功率点跟踪

最大功率点跟踪的方法有许多,例如恒压法、开路电压法、短路电流法、曲线拟合法、扰动观察法、电导增量法等。但是常用的且在真正意义上能实现最大功率点跟踪的方法只有扰动观察法和电导增量法。

(1)太阳能仿真模型的建立

为了更好理解最大功率点的方法,在这里先介绍一下太阳能电池的一些特性。

图3为太阳能电池的输出特性曲线,Uoc、Isc、Um、Im分别为一定外部条件下太阳能电池的开路电压、短路电流、最大功率点所对应的电压和电流,A点为最大功率点。图4为太阳能电池的等效电路模型,其解析表达式如公式(1)所示:                         

图3  太阳能电池I-U曲线                                       图4  太阳能电池等效电路

（1）

式(1)中,Iph为太阳能电池光生电流,Isat为电池单元的二极管反向饱和电流,A为无量纲的任意曲线的拟合常数,其取值范围为1≤A≤2,一般当太阳能电池输出高电压时A=1;当太阳能电池输出低电压时A=2,k为波尔兹曼常数,T为太阳能电池的绝对温度,q为电子电量,Rs为串联等效电阻,Rsh为并联等效电阻,I为太阳能电池输出电流,U为太阳能电池输出电压。式(1)是由固体物理理论推导出来的最基本的解析表达式,能较好地描述太阳能电池在一般工作状态下的特性,已被广泛应用于太阳能电池的理论分析中。因此根据太阳能电池的等效电路及其I-U特性方程,在MATLAB中建立模型,如图5所示。

                                                 图5  太阳能电池仿真模型

而图6和图7分别为在MATLAB中所建立的太阳能电池模型仿真的I-U和P-U曲线,由以上两个曲线可以看出在MATLAB中建立的仿真模型很好地模拟了太阳能电池的输出特性,最大功率点在35.5V左右,最大功率为155W。因此可以运用此模型在MATLAB中对MPPT算法进行仿真。

图6  太阳能电池仿真模型的I-U曲线             图7  太阳能电池仿真模型的P-U曲线

(2)扰动观察法

扰动观察法是一种常用的实现MPPT方法,它通过改变太阳能电池的输出电压,给以一定的扰动,实时采样太阳能电池的输出电压和电流,计算它们的乘积,得到太阳能电池此刻的输出功率,将其和上一采样时刻的功率相比较,如果大于上一时刻的功率,则维持原来电压扰动的方向;如果小于上一时刻的功率,则改变电压扰动的方向。这样就确保了太阳能电池的输出电压朝着输出功率增大的方向变化,从而实现最大功率跟踪。

扰动观察法(P&O)的算法流程见图8所示,UP(k)、IP(k)、P(k)分别为第k次采样的太阳能电池输出电压、电流和功率,△P为两次采样的功率差,△U为太阳能电池输出电压扰动量。

                                                      图8  扰动观察法程序流程图

根据扰动观察法的算法特点运用先前建立的太阳能充电器模型,再运用MATLAB进行算法的仿真。

图9和图10分别为扰动观察仿真得到的太阳能电池输出电压和输出功率的曲线,从仿真结果可以看出,所设计的扰动观察法的算法使太阳能电池的输出电压在35.5V左右波动,使输出功率基本在155W左右波动,所以通过仿真验证了此扰动观察MPPT算法的正确性和可行性。

图9  P&O法仿真太阳能电池输出电压        图10  P&O法仿真太阳能电池输出功率

(3)电导增量法

电导增量法(INC)是另一种常用的MPPT算法。其思想主要是通过比较某一时刻的电导和增量电导的关系来改变扰动的方向。某一时刻电导和增量电导的关系反映了此时的太阳能电池的工作状态是最大功率点(MPP)的左边还是右边,从而据此来改变扰动的方向。根据太阳能电池的U-P特性曲线可知,在最大功率点处的功率对电压的倒数为零,在最大功率点的左边倒数为正,在最大功率点的右边倒数为负。

而dP/dU又可以表示为以下形式: (2)

I/U和ΔI/ΔU分别被成为电导和增量电导,通过判断I/U+ΔI/ΔU与0的关系来确定电压扰动的方向。当I/U+ΔI/ΔU>0，增大太阳能电池的电压，当I/U+ΔI/ΔU=0，维持太阳能电池不变，当I/U+ΔI/ΔU<0，减小太阳能电池电压，从而实现最大功率跟踪。具体的程序流程如图11所示。

                                                  

                                                 图11  电导增量法程序流程图

根据电导增量法的特点运用先前建立的太阳能充电器模型,在MATLAB进行算法的仿真。
由太阳能电池的仿真模型可知,太阳能电池最大功率点是在35.5V左右,最大功率在155W左右,从图12、图13可以看出,所设计的电导增量法的算法使太阳能电池的输出电压在35.5V左右波动,使输出功率基本在155W左右波动,因此通过仿真验证了此电导增量MPPT算法的正确性和可行性。

2.2   蓄电池充电策略

在太阳能光伏发电系统中,蓄电池的充放电控制技术直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣,一方面影响到蓄电池荷电量的大小,另一方面关系到其使用寿命。对铅酸蓄电池的充电方法有很多,包括恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电等方法。由于独立光伏系统中,蓄电池的寿命直接决定了系统的寿命,所以不能简单地使用恒流或者恒压充电,必须对蓄电池的充电进行更好的控制和保护,因此本文采用三阶段充电的策略。

      (1)三阶段充电

三阶段充电特性如图14所示。这种方式是克服恒流与恒压充电的各自缺点,使其优点相结合的一种充电策略。它要求首先对蓄电池采用恒流充电方式充电,蓄电池充电到达一定容量后再采用恒压方式进行充电。这样,蓄电池在初期充电就不会出现很大的电流,在后期也不会出现高电压,使蓄电池产生析气。两阶段充电完毕,即蓄电池容量到达其额定容量时,再对蓄电池以很小的电流进行充电,以弥补蓄电池的自放电,这种以小电流充电的方式也称为浮充。这就是在两阶段基础上的第三阶段,但在这一阶段的充电电压要比恒压阶段低,如图11的虚线段uf。

                                                  图14  三阶段充电特性

(2)三阶段充电及过放、过充保护的软件实现
为了既能充分地利用太阳能,又能兼顾蓄电池的使用寿命,采取了三阶段充电策略给蓄电池充电,即恒流充电、恒压充电、浮充,并且增加了蓄电池的过充保护。充电器三阶段充电和过充保护的总体流程如图15所示。

                                             图15  三阶段充电和过充保护流程图

①恒流充电
在充电初期,蓄电池的荷电状态比较低,采用恒流充电,充电器的控制对象为Buck变换器的输入电压,即太阳能电池输出电压,通过MPPT算法找到最大功率点所对应的电压,作为太阳能电池的电压基准,并且通过数字PI算法使太阳能电池功率工作在最大点。假设理想情况下,充电器没有损耗,太阳能电池输出的功率全部用于蓄电池充电,当太阳能电池实现MPPT时,蓄电池也就是最大功率充电,由于蓄电池电压变化比较缓慢,可以认为短时间内是不变的,而且最大功率在短时间内也是不变的,因此一段时间内充电电流基本上是不变的,从而实现了恒流充电。

②恒压充电

当恒流充电进行到一段时间以后，蓄电池的电压升高到29V时，退出恒流充电，进入恒压充电阶段。此时，充电器的控制对象为Buck变换器的输出电压，即蓄电池的电压，并且通过数字PI算法使蓄电池的电压稳定在29V，从而实现了恒压充电。

③浮充

随着恒压充电进行后,蓄电池对电流的接受能力减弱,充电电流开始变小,当充电电流减小到0.5A以下,则退出恒压充电,进入浮充状态。根据蓄电池手册上的数据,浮充电压为27V左右。此时,充电器的控制对象仍然为Buck变换器的输出电压,即蓄电池的电压,并且通过数字PI算法使蓄电池的电压稳定在27V,从而实现了浮充。

3   实验结果及分析

为了验证该算法计算结果找到的最大功率点,又使太阳能电池工作在MPP附近的电压上,测得电压、电流和功率。以下分别为2008年7月21日11:00、12:00、13:00三个不同时刻在最大功率点附近测得的数据,MPP1、MPP2、MPP3分别为以上三个时刻由MPPT算法找到的最大功率点。由图16中的数据可知,由MPPT算法找到的最大功率点在同一环境条件下的功率确实是最大的,从而验证MPPT算法的正确性。

                                         图16  最大功率点附近P-U曲线

采用扰动观察法进行最大功率跟踪,启动时太阳能电池的输出电压和输出电流的波形如图17所示,可以看出在1s内系统就实现了MPPT;系统在稳定工作以后的波形如图18所示,可以看出在实现MPPT时,太阳能电池输出电压始终是围绕最大功率点在小范围的波动,波动范围在1V左右,扰动观察法的MPPT实验结果与仿真结果一致。

      图17  P&O启动时实验波形                           图18  P&O稳定工作时实验波形

采用电导增量法进行最大功率跟踪，启动时太阳能电池的输出电压和输出电流的波形如图19所示，可以看出在1s内系统就实现了MPPT;系统在稳定工作以后的波形见图20，可以看出在实现MPPT时，太阳能电池输出电压并不是一直在波动，它有一段稳定的时间，由于波动会带来一定能量损失,所以电导增量法较扰动观察法而言,有更高的效率。电导增量法MPPT实验结果与仿真结果一致。

图19  INC启动时实验波形                               图20  INC稳定工作时实验波形

图21为推挽正激变换器原边开关管上漏源极的电压和驱动波形,可以看出由于箝位电容的存在,开关管上的DS两端电压尖峰被明显地抑制。

                                         图21  1000W MOS管DS和GS波形

图22为1000W逆变器满载时的输出电压波形,波形质量较好,THD为2.25%,并且在全负载范围的THD均控制在3%以内。

                                            图22  逆变器满载时输出波形

4   结束语

实验验证了独立运行太阳能光伏转换系统的可行性,在充分利用太阳能资源的同时,又兼顾了蓄电池的充放电特性,完成了蓄电池的过充、过放保护,三阶段充电,延长了蓄电池的寿命,取得了很好的效果。另外采样用了SPWM的控制策略,使逆变器的输出电压质量有了很好的保证,达到了预期设计的目标。

参考文献

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[4]欧阳名三,余世杰,沈玉梁,王 飞,苏建徽,赵 为,夏小虎.具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究[J].农业工程学报,2003.19(6):272～275.

[5]丁道宏.电力电子技术[M].航空工业出版社, 1999.

作者简介

孙 超,男,南京航空航天大学硕士研究生,研究方向为功率电子变换。

郭 勇,男,南京航空航天大学硕士研究生,研究方向为功率电子变换。

刘征威,男, 南京航空航天大学硕士研究生,研究方向为功率电子变换。

陈 新,男,南京航空航天大学副教授,研究方向为功率电子变换。

注：此文为“英飞凌杯”第二届嵌入式处理器及功率电子设计应用大奖赛参赛获奖选手论文。