小型光伏发电的控制系统设计※

李岩，姚振东，周骏鹤，刘凯，皮波

（成都信息工程学院，中国气象局大气探测重点开放实验室，成都610225）

引 言

阵列、最大功率点跟踪器、蓄电池充放电控制器、蓄电池内阻测量、DC/DC电路、DC/AC电路等。

图1 光伏发电系统结构框图

光伏发电系统是以最大发电量为依据，因此光伏跟踪系统的设计既要避免跟踪不足，又要避免过度跟踪，这也是现阶段光伏跟踪系统研究者常常忽略的最根本事实[2]。因此本文比较了目前光伏系统最大功率点跟踪技术的几种常用控制算法的优缺点，本系统在最大功率点附近采用阻抗匹配法，在远离最大功率点的位置，使用扰动观察法使电压快速到达最大工作点。

1 独立光伏发电系统

独立光伏发电系统不与任何常规的电力系统连接，是独立运行的发电系统。这种独立运行的系统多用于偏远山区、海上灯塔、野外自动观测站等。由于独立式光伏发电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常运行，系统中需要一个储能环节来存储能量。

图1为小型光伏发电系统结构框图，包括太阳能光伏

太阳能光伏阵列为系统中的核心部分，将太阳能直接转换为电能。

蓄电池组的作用是将太阳能的电能储存起来，当无光照或光照不足时，为后端负载提供电能。

直流稳压电路（DC/DC稳压电路）将太阳能控制调节后的电压进行稳压输出，或者将蓄电池组提供的电压进行稳压输出，系统要求输出稳定的12 V电压，为直流负载供电，此处的直流稳压电路采用激式变换电路，同时对稳压输出的电压、电流进行采集，确保输出的电压值为稳定的12 V。

太阳能逆变器（DC/AC逆变器）将直流电转换为交流电，供交流负载使用。逆变器是光伏系统的重要组成部分，为了提高独立光伏发电系统的整体性能，保证供电系统的长期稳定运行，对逆变器可靠性的要求很高。

2 光伏发电的基本原理

2.1 光伏阵烈

为了使光伏阵列快速达到最大功率点且在最大功率点稳定，在本设计中光伏系统在最大功率点附近区域采用阻抗匹配法，并选择较小的电压变化步长，在远离最大功率点区域采用扰动观察法。

2.2 蓄电池的充放电原理

由于铅酸蓄电池价格低、容量大，目前免维护密封铅酸蓄电池（VRLA）作为储能器件应用最广泛。铅酸蓄电池以硫酸水溶液为电解质，正极板活性物质为二氧化铅（PbO2），负极板活性物质为金属铅（Pb）。

在设计需要时对蓄电池的容量进行检测，防止出现过充和过放现象，本系统采用的是电压单环在线检测模式。

3 独立光伏发电系统设计

3.1 最大功率点跟踪系统设计

由图2可知，太阳能光伏阵列输出直流电压，经过DC/DC变换后，再经过滤波，向后端蓄电池、DC/AC和DC/DC模块提供满足要求的直流电压。系统的控制功能由32位高速DSP芯片TMS320F2812来完成。光伏阵列输出电压、电流经过采样电路处理后送入DSP的ADC采样端口，将采集到的电压、电流值在DSP中进行最大功率点跟踪算法控制后，由PWM输出端口送出控制信号到PWM信号驱动电路，PWM信号驱动电路的输出信号将完成对功率器件的开关控制。最大功率点跟踪系统由5部分组成，分别为电压、电流采样模块，TMS320F2812，PWM信号驱动模块，DC/DC转换模块。

3.1.1 电压采样模块

电压采样模块电路图略——编者注。利用 HCNR200线性光耦进行光耦隔离测量。光伏阵列的输出经电阻分压后输入给线性光耦HCNR200电路，在经过信号处理后向DSP提供控制参考。HCNR200是电流驱动性光耦，其LED的工作电流要求为1～20 m A，要求运放的驱动电流也必须达到20 m A[12]。综合考虑，选择AD8512运算放大器，其输出电流可达50 m A。

图2 最大功率点跟踪系统结构框图

3.1.2 电流采样模块

电流采样模块电路如图3所示，使用了电流检测芯片MAX4173，对检流电阻两端的微小电压进行放大，并馈入到低压ADC进行处理。这种情况下，通常需要在检流电阻两端对电流检测信号进行滤波。本系统在设计的时候采用差分滤波器滤除负载电流和检流电压的“毛刺”，同时采用共模滤波器，以增强在出现共模电压尖峰或瞬时过压时的ESD保护能力。设计中，测流电阻RSENSE的阻值过高和过低都不利于电流的检测[13]，因此本系统的测流电阻RSENSE的阻值为50 mΩ。

3.1.3 控制模块

控制模块根据采集到的电流和电压以及MPPT算法判断最大功率点位置，输出PWM控制信号驱动PWM信号驱动模块，进而控制DC/DC转换器的输出电压。采用的控制器为32位高速DSP芯片TMS320F2812。

3.1.4 DC/DC转换模块

DC/DC转换器根据输入的PWM波的占空比调整负载的阻抗到相应值，完成对光伏阵列工作点的控制功能。本系统采用的是反激式变换电路，其实质是使用了多绕组电感代替了常用的单绕组buck-boost电路，因此可等效为对buckboost电路建模，其交流小信号模型略——编者注[14]。

反激式直流变换器的主电路如图4所示，电路由功率开关管V、电感变压器T、二极管D和滤波电容Co构成。

反激式直流变换器中的电感变压器起着电感和变压的双重作用。当功率开关管V导通时，电源向电感Lp储能，二极管D截止，由输出电容向负载供电；当V截止时，二极管D导通，变压器储能经Ls向负载放电和向电容充电。根据开关管V关断时间内二极管D是否持续导通，可分为三种工作模式：连续导电模式、临界连续模式和断续导电模式[15]。这里的“连续”不再是单线圈电感电流的连续，而是用次级线圈晶体管截止时间电流状态来说明，实际上是指磁通连续性。

图3 电流采集电路

3.1.5 PWM信号驱动模块

PWM信号驱动模块由PWM控制信号驱动DC/DC转换器工作。驱动电路的作用是将控制电路输出的PWM脉冲放大到足以驱动功率管。设计中采用IR2110驱动芯片，用高速光耦6N137隔离，能够快速地完成PWM信号的传输，并且具有隔离作用，满足系统对驱动电路的设计要求。

图4 反激式直流变换器的主电路图

3.2 蓄电池充放电控制器及内阻测量模块

随着蓄电池的老化，其剩余容量随之下降，内阻也逐渐增大[17]。一般认为，实际容量降到80%，电池的腐蚀将迅速加速，这时为保证整体系统的正常工作就需要及时替换电池，因此蓄电池内阻的测量有重要意义。

直流检测法的优点是蓄电池在线也可以精确地测量内阻。因此采用直流检测法中的二次放电法，通过对电池进行两次放电，可以克服平衡电位不稳定等因素，提高测量精度。根据在不同电流（I1、I2）下的电压变化（U1、U2），来计算内阻值，则I1、I2的放电回路如下：

由式（1）和式（2）可得蓄电池内阻为：

放电法测电阻电路如图5所示，采用大回路法放电。三个场效应管IRF640一般状态下是断开的，当要测量蓄电池内阻时，DSP2812使3个场效应管IRF640同时导通，将R1、R2和R3三个电阻切入，形成放电回路。电池组对3个负载同时放电，通过电流采集电路采集电压信号传给CPU，在开关导通的同时，3个场效应管IRF640导通约2 s后关断，然后，间隔一定时间后（3～5 min），再投入Rl和R2两个电阻，同样测得电池放电电流和单体电池电压。CPU通过采集到的电压信号，计算出单体电池的内阻。

3.3 DC/AC

逆变器是将直流电变换成交流电的关键设备。因为光伏阵列的输出为直流电，必须要把直流电转换成交流电才能共给交流负载使用，所以逆变器是非常重要的电能变换设备。

逆变器采用了SPWM波基本控制方法，因此选择了EG8010芯片，EG8010是一款数字化的、功能很完善的自带死区控制的纯正弦波逆变发生器芯片，应用于DC-DC-AC两级功率变换架构或DC-AC单级工频变压器升压变换架构，外接12 MHz晶体振荡器，能实现高精度、失真和谐波都很小的纯正弦波50 Hz或60 Hz逆变器专用芯片。该芯片采用CMOS工艺，内部集成SPWM正弦波发生器、死区时间控制电路、幅度因子乘法器、软启动电路、保护电路、RS232串行通信接口和12832串行液晶驱动模块等[17]。

4 系统软件设计

根据前面介绍的蓄电池充放电的性质，可以将蓄电池过充点和过放点分别设置为2个阈值，分别为13 V和11 V。

系统不停地检测太阳能电池的输出电压，当太阳能电池的输出电压充足时，采用太阳能电池为后端负载供电，同时检测蓄电池的电压是否充足，如果充足，则不需要给蓄电池充电，此时关断蓄电池与太阳能电池的连接；当蓄电池的电压不足时，太阳能的电能一部分为后端负载供电，另一部分为蓄电池充电，直至蓄电池充满电后关断蓄电池与太阳能电池的连接。当太阳能电池输出的电压不足时，断开太阳能与蓄电池及后端负载的连接，采用蓄电池为后端负载供电，同时不停地检测蓄电池的电压。当蓄电池的电压不足时，断开蓄电池与负载的连接，停止放电。

系统中还加入了过流保护、过压保护以及蓄电池内阻检测，当系统中出现故障时，断开所有开关，同时将故障传给PC机，以便及时地检修或者更换蓄电池，保证系统正常运行。

5 系统调试结果

本设计系统整体调试通过之后能够满足预期的功能要求：该系统输出的12 V直流电可以为小型光伏发电系统自身供电，220 V交流电可以为笔记本电脑供电。

结 语

独立光伏系统采用一片DSP控制，使得整个系统的可靠性和可控性提高，可以更好协调各部分与系统整体的关系。采用了反激式变换器，把原副边之间的干扰信号隔开，同时提高了效率。将传统的扰动观察法和阻抗匹配法进行了结合，使光伏电池工作在最大功率点，提高了系统的转换效率。

编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www.mesnet.com.cn。

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