独立光伏系统的研究与设计

文／江苏大学电气信息工程学院 姚新阳 龚在刚／

0 引言

随着世界能源短缺问题的日益严重，太阳能做为国际公认的理想替代能源得到越来越广泛的应用。光伏电源是直接将太阳光能转换成电能的装置，具有无污染、无噪音、维护简单等优点，在解决特殊领域供电方面起到了不可替代的作用[1]。

1 系统的工作原理及主要电路

系统主要分为充电和逆变两个部分。太阳能电池板输出电压后通过DC-DC变换和MPPT (最大功率点跟踪，Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)控制给蓄电池充电蓄能，而对交流负载的供电则采用先推挽升压再进行全桥逆变的方法，将直流电转换为交流电。系统的总体框图如图1。

图1 系统总框图

1.1 充电电路设计

1.1.1 主电路设计

由于该系统功率较小，且光伏电池输出非线性变化大，所以主电路采用单端反激式电路拓扑（如图2所示）。反激变换器由升降压变换器加隔离变压器而成，能够简单高效地提供直流输出，广泛用于100W左右的小型开关电源中[2]。太阳电池板输入电压经单端反激式开关电源升压后给蓄电池充电。

系统输入电压和输入电流的采样，选用的是TI公司的具有内部基准的超小型、低功耗的16位模数转换器ADS1115。此芯片的精度高且可编程易操作，采用IIC总线和单片机之间进行信息传递。

系统的主控单片机选用TI公司的MSP430F169。MSP430 单片机是 16 位的单片机，功能强，运行的速度快。同时自带DA，可直接输出可变模拟电压值，可以简化外围电路。同时MSP430功耗低,可提高太阳能充电的效率。

系统的PWM控制芯片采用的是TL494。单片机运行MPPT程序后，将计算结果通过自带的DA模块转换成模拟电压输出到TL494，改变DA值即可改变PWM信号的占空比。从而实现MPPT控制。

图2 反激（充电控制电路）原理图

1.1.2 软件设计

MPPT系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统。光伏充电系统可以等效为线性系统（如图3所示）[3]，由于光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响，其输出电压、输出电流和内阻r处于不停变化之中，只有使用DC／DC变换器并用软件控制实现负载的动态变化，才能保证光伏电池始终输出最大功率。

软件主要采用变步长的爬坡算法。首先由ADS1115实时采样太阳能电池板输出的电压和电流，单片机读入后将两者相乘得到当前的输入功率，然后和前一时刻的功率进行比较，若当前功率大于前一时刻，则增加DA的输出值，反之减小DA的输出值。通过改变单片机输出的DA值改变PWM波的占空比，从而改变DC-DC变换器的等效阻值，最终使系统工作于最大功率状态。

图3 线性系统电路图

同时，爬坡法的步长也采取可变步长的方式进行调节，在离最大功率点较远的位置步长较大，而在最大功率点附近步长较小。这种方式可以大大提高系统启动时的跟踪速度，减小在最大功率点附近的震荡幅度。

MPPT控制程序流程图如图4所示。

图4 MPPT算法流程图

由于单端反激式电路输入级电流不连续以及干扰信号等原因，ADS1115采样到的信号存在毛刺，因此，在软件上采取了数字滤波。在多次测量的基础上，还对采样到的数据进行排序，去掉若干最大与最小值后再对剩余的数据求平均，从而得到当前的电压或电流值。这样做有效减小了尖峰信号对测量数据的影响。

1.2 逆变电路设计

传统逆变一般采用先逆变后升压的方式, 成本高、电路复杂、调试困难且波形质量不是很好。而本系统采用高频逆变，将蓄电池直流电先经直流升压生成稳定的350V直流电, 再经逆变电路转换成220V/50Hz交流电。电路较传统逆变简单、成本较低、对于输出波形质量有很大改善。逆变部分的主要框图如图5所示。

图5 逆变电路原理图

1.2.1 DC-DC升压电路设计

本系统采用推挽升压电路（如图6所示），其特点是高频变压器必须具有中心抽头,适用于低电压大电流的场合, 广泛应用于功放电路和开关电源中[4]。以SG3525作为PWM波的控制芯片。它的主要特点是:输出级采用推挽输出，工作频率高，可达400kHz，具有欠压锁定、过压保护等功能。产生的PWM波经三极管放大后再送给IRF3205。

图6 推挽升压原理电路图

1.2.2 SPWM控制电路设计

逆变器的工作方式采用SPWM控制方式，SPWM波的产生采用规则采样法。具体做法是：首先将逆变电路反馈的交流电压信号经过平均值电路得到一个直流反馈量，该反馈量再与直流给定量进行PI调节，使反馈量跟随给定量。这种直流PI调节控制方便准确，灵活性强。接着用模拟乘法器将参考正弦波和上述PI调节器输出电压进行正弦调制。然后将调制的正弦波通过精密整流以后再整体抬高0.7V，与TL494内部的三角波相比较，从而得到SPWM波，控制逆变电路的开关管。

1.2.3 逆变主电路设计

正弦波逆变采用单向全桥逆变，整个电路容易达到大功率，且损耗低、效率高、驱动容易、可靠性大大提高（如图7所示）。

图7 单相全桥逆变原理图

四个开关器件Q7、Q8、Q9与Q10构成全桥逆变电路的两组桥臂。其中对角线上的两个开关器件工作状态相同，即同时关断、同时导通。通过SPWM脉冲控制四个开关器件，使得两条回路以相同的开关频率交替导通，且每个开关器件的占空比均小于50%，留出一定死区时间以避免上下桥臂互通短路[5]。最后经过LC滤波后即可得到逆变出来的正弦波。

2 系统测试

充电部分的测试方法采用电源箱串接内阻模拟光伏电池的方法进行实验，若最大功率算法有效，则输入控制电路的电压值应等于串接的内阻上的压降。

实验结果如下：

电源箱输出电压 内阻压降 输入电压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]沈辉,祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2]张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计(修订版)[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3]卢琳，殳国华，张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].Power Electronics,2007.

[4]吴建进,魏学业,袁磊.一种推挽式直流升压电路的设计[J].电气自动化,2011，33(2).

[5]黄春春,杨喜军,张哲民,姜建国.基于全桥逆变-全桥整流方案车载开关电源的研究与实现[J].电气自动化,2009,31(6).