小型光伏发电实验平台的设计与实现

徐东东 张海宁 刘卫亮 王印松 吴延群

1．华北电力大学自动化系 河北 保定 071003

2．青海省光伏发电并网技术重点实验室 青海 西宁 810008

0 引言

近年来，煤、石油、天然气等传统能源日趋紧张，新能源的开发利用受到了越来越多的关注。作为新能源利用的主要形式之一，太阳能光伏发电具有无污染、运行方式灵活、维护简单等特点，对于大电网难以覆盖的偏远地区或者有大电网覆盖的特殊场合的供电问题具有重要意义［1-3］。随着国家绿色能源战略的加快实施，光伏发电技术的研究工作和人才培养显得尤为紧迫。光伏发电实验平台是开展光伏发电技术的研究与教学工作的载体，限于资金及场地限制，国内仅有少数院校进行了平台的搭建［4-8］。本文设计并实现了一套小型光伏发电实验平台，包括硬件装置部分和软件部分。首先简要介绍光伏发电技术的原理，然后论述硬件装置部分和软件部分的设计与实现过程，并通过应用实例对实验平台的功能进行验证。

1 光伏发电原理

光伏电池发电的原理是光生伏特效应，当光照射到电池上时，其PN结两端会有电动势产生。光伏电池的等效电路如下图1所示：

图1 光伏电池等效电路

图中，ILG为光电池电流源，I为太阳能电池输出电流，Id为二极管工作电流，Ish为漏电流，Rs和Rsh分别为光伏电池的等效串联阻抗和并联阻抗。由图1中的等效电路图可得出光伏电池的U-I特性为：

式中：U为光伏电池输出电压；T为电池温度；q为电子电量；A为理想因子，一般1＜=A＜=2；K为波尔茨曼常数。当负载从零变化到无穷大时，即可得到如图2所示的光伏电池的I-U、P-U特性曲线。可见光伏电池输出电流与输出电压呈现反比的关系，调节负载电阻到某一值Rm，在曲线上得到一点M，其对应的工作电压和电流之积最大，即Pm=Um×Im，此M点即为最大功率输出点（MPP）。

图2 光伏电池特性曲线

2 平台的硬件装置

光伏发电系统根据系统输出是否并入电网，可分为独立发电系统和并网发电系统。本文实验平台主要研究独立光伏发电系统的最大功率跟踪控制以及逆变控制，所设计的硬件装置的结构框图如图3所示，其中逆变器的设计主要参数要求如表1所示。该硬件装置主要由七个部分组成：微控制器、DC／DC变换器、逆变桥、滤波器、负载、控制回路、人机交互部分、监控显示部分。其中人机交互部分包括键盘、LED指示灯、蜂鸣器、语音播报系统、液晶显示器及RS232通信接口。

图3 硬件装置总体结构框图

表1 逆变器主要参数要求

2.1 微控制器选型

考虑到最大功率跟踪过程以及逆变过程的对控制芯片的实时性要求较高，采用飞思卡尔公司HCS12X系列16位单片机MC9S12XS128MAA作为控制芯片，其主要特点是总线频率高达40MHz，运算速度快，片内存储器容量较大，外设丰富。逆变器工作过程中涉及的电压电流模拟量通过电压电流传感器采样后，送入MC9S12XS128MAA单片机的AD端口，单片机根据软件程序控制PWM端口产生PWM波，由驱动电路驱动BOOST电路和逆变电路的开关管，从而控制逆变器的工作状态。

2.2 DC／DC变换器电路设计

DC／DC变换器选用开关电源中的BOOST电路。电路设计中的主要工作是对功率管Q1和输出储能电感L1的选择。本文选用MOSFET作为BOOST电路的功率开关管，为了保证器件安全可靠工作，在留有一定裕量的前提下，参考器件的电压、电流额定值进行具体型号的选取。对本装置而言，由于其与光伏电池板直接配接，设定输入电压范围为15～30V，取三倍电压裕量，MOSFET额定电压应该在90V以上，故MOSFET可选用IRFS4321，其额定电压为150V，电流最大可达83A，满足功率要求，且具有较小的通态电阻，为15mΩ。综合考虑输出电流的纹波、开关频率等因素，最终选取储能电感L1为330uH。

由于单片机脉宽调制模块驱动能力有限，不能保证功率开关管的可靠触发，为此本文采用MICROCHIP公司生产的MCP14E14作为MOSFET的驱动芯片。该芯片是一款双路高速功率管驱动芯片，峰值输出电流高达4A，同时具有宽电压范围、驱动能力强、速度快等优点，图4为驱动电路原理图。

图4 开关管驱动电路原理图

2.3 逆变桥电路设计

利用四片N沟道的MOSFET构成逆变桥，型号为IRF540N，其漏源击穿电压为100V，最大漏极电流为33A，导通电阻为44 mΩ。采用74HC00结合IR2104驱动芯片做为逆变桥MOSFET驱动电路，如图5所示。

图5 逆变器逆变桥开关管驱动电路

74HC00芯片包含四组二输入与非门电路，DIR1和DIR2信号分别为单片机IO口输出的高低电平信号，SPWM信号为单片机脉宽调制端口输出的正弦PWM调制信号。MOSFET驱动信号部分逻辑表如表2所示。

表2 MOSFET驱动信号逻辑表

2.4 检测电路设计

硬件装置共有6路模拟量信号，分别为光伏电池结温T、光伏电池输出电压Vpv、输出电流Ipv，BOOST电路输出电压Vboost、输出电流Iboost和逆变输出电压Vgrid。其中Vgrid为交流电压，另外5路均为直流信号。电流传感器采用型号为ACS712ELCTR-05B-T的霍尔线性电流传感器，具有185mV／A的输出灵敏度，可测电流范围-5～+5A。图6为该电流传感器的示意图。

图中IP+、IP-为电流信号输入端子，Vout端为测量电流输出信号管脚，输出电压与被测电流的关系为Vout=2.5V±△I*0.185V（△I为被测电流）。为了提高电流传感器的灵敏度，减小相对误差，设计了如图7所示的信号调理电路。经过调理电路后电流测量电路灵敏度提高为925mV／A。系统中采用的运放为MCP6022芯片。

图7 光伏电池输出电流信号调理电路

根据运放的“虚短”“虚断”及可得光伏电池输出电流的电压信号Ipv：

目前，交流电压传感器大多量程较大且成本较高，本系统由于逆变输出电流较小，为了提高测量精度、减小相对误差、降低成本，本系统逆变输出交流电压利用运算放大器电路测量，图8为测量电路原理图。

图8 逆变电压测量电路

根据运放的“虚短”“虚断”可得：

代入数值得：

因此，设计逆变桥输出电压范围为-40～40V时，Vgrid的范围为 0.5～4.5V。

3 软件设计

硬件装置的工作模式可分为3种，分别是启动模式、运行模式和故障模式。

启动模式下：系统初始化完成后，硬件装置进行启动条件检测，若光伏电池电压、系统电路初始状态参数等均符合启动条件，硬件装置与上位机进行通讯，正常通讯后，由监控软件控制进入运行模式。

运行模式下：硬件装置根据监控软件下达的指令完成相应的数据采集和算法运算，并将采集到的数据发回上位机。故障模式主要用来保证系统工作在正常稳定状态下，如有光伏电池欠压、直流升压斩波电路输出电压过压、逆变电流输出过大等任一情况下，系统进入故障模式。

软件设计主要分为两部分，一是硬件装置中的MPPT控制、逆变控制等实验算法的设计，另一部分是上位机监控软件的设计。

3.1 光伏发电实验算法设计

本系统采用Freescale公司的MC9S12XS128MAA芯片作为主控制器，使用CodeWarror软件编程和调试。

3.1.1 功率特性实验程序设计

功率特性实验的目的是获取不同光照强度与电池板温度下的P-U曲线与U-I曲线。设计思路为：在［0，1］范围内不断地对 DC／DC 变换器功率管Q1的PWM占空比进行顺次扰动，相当于逐渐地改变光伏电池板的等效负载，从而影响其输出电压与输出功率，记录下相应P-U与U-I数据便可进行特性曲线的绘制。

3.1.2 最大功率跟踪控制程序设计

本实验平台置中设计了3种MPPT控制算法可供选择，分别是定电压控制法、扰动观察法、电导增量法，可通过监控软件向硬件装置发送不同的指令要求选择不同的MPPT控制算法进行MPPT控制实验，并设定算法的参数如定电压、扰动步长等。

3.1.3 逆变控制程序设计

逆变系统包含前级BOOST升压控制和后级逆变控制两部分。BOOST升压控制的目的是实现前级电压的稳定，后级逆变控制的目的是使得输出电压为工频正弦波，两级控制均采用PI控制算法。图9为BOOST升压控制和逆变控制流程图。

图9 BOOST升压控制与逆变控制流程图

设定逆变器输出电压峰峰值为50V，频率为50Hz，开展实验，得出逆变器实际输出电压峰峰值为 48.6V，频率为 50.04Hz，电压峰峰值误差为-0.4V，频率误差为0.04Hz，均在可接受范围内。根据硬件装置返回的逆变数据得到的逆变曲线如图10所示。

图10 逆变实验结果

3.1.4 拓展实验

蓄电池充放电控制实验

蓄电池组是光伏电池的主要储能装置，日照良好的天气可储存多余的能量，在夜间或阴雨天气时刻对负载供电。蓄电池的过量充电或过量放电对蓄电池的性能会造成不良影响，故需进行合理控制。在硬件装置的基础上稍做改动可并入蓄电池组，从而支持蓄电池充放电试验。

基于神经网络的MPPT控制与逆变控制实验

神经网络作为主流的智能控制方法，在光伏最大功率跟踪控制与逆变控制中得到了日益广泛应用。常规微处理器的运算有限，难以满足神经网络模型的运算需求，因此，可采用FPGA作为神经网络专用运算器，与本硬件装置连接，从而完成基于神经网络的MPPT控制与逆变控制实验。

3.2 监控软件设计

基于以上硬件结构设计和实验方法设计，开发了光伏发电小型实验平台的上位机监控软件。监控软件基于Microsoft visual studio 2010平台的C#编程语言，并采用Winform实现。其主要功能为负责接收处理小型实验平台各个测控节点的实时数据，进行数据分析和曲线显示，并下发控制指令。监控软件功能结构图如11所示：

上位机监控软件具有简洁直观，人机交互友好等特点，与硬件装置配合，可以灵活地调控实验过程，并直观的展示实验结果。图12为光伏电池特性实验过程曲线，图13为最大功率跟踪实验过程曲线。

图11 监控软件功能结构

图12 光伏电池特性实验过程曲线

图13 最大功率跟踪实验过程

4 结束语

本文设计了一套软硬件兼备的低电压光伏发电小型实验平台。本文首先简要介绍了光伏发电的原理，然后分别从硬件装置部分和软件部分对实验平台进行了详细介绍。硬件装置部分从微处理器的选型、采样电路的设计、逆变桥的搭建等方面进行了阐述，软件部分主要介绍了最大功率跟踪程序和逆变程序的设计，以及软件监控界面的设计，同时介绍了本实验装置可能进行的拓展实验。实际应用表明，本实验平台能完成太阳能电池特性验证实验、最大功率跟踪实验、逆变实验等多个实验，并具有良好的可拓展性，对于光伏发电技术的研究与教学工作具有重要的意义。

［1］丁明，王伟胜，王秀丽，等.大规模光伏发电对电力系统影响综述［J］.中国电机工程学报，2014，（1）：1-14.

［2］陈权，李令冬，王群京，等.光伏发电并网系统的仿真建模及对配电网电压稳定性影响［J］.电工技术学报，2013，（3）：241-247.

［3］ Hill C A，Such M C，Chen D M，et al.Battery Energy Storage for Enabling Integration of Distributed Solar Power Generation ［J］.Smart Grid，2012，3（2）：850-857.

［4］蔡永生，王德延.太阳能光伏发电新能源实验研究平台［J］.实验技术与管理，2011，（2）：66-67+71.

［5］周敬森，陈厚桂.新能源探索和光伏发电实验装置的设计［J］.通信电源技术，2011，（5）：53-54+56.

［6］郭瑞，刘莉莹，王帅杰，等.光伏发电实验系统的设计［J］.沈阳工程学院学报（自然科学版），2013，（3）：198-200.

［7］高惠平，田建军，张振龙，等.太阳能光伏发电综合设计性实验教学探索［J］.实验科学与技术，2015，（1）：100-102，169.

［8］阎娜.光伏发电系统实验台设计与搭建［J］.实验技术与管理，2012，（12）：71-74.