光伏系统功率优化器研究与设计

赵晓侠， 束 军， 高志阳

(1.昆明理工大学 信息工程及自动化学院,云南 昆明 650504; 2.安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230000)

光伏系统功率优化器研究与设计

赵晓侠1， 束 军1， 高志阳2

(1.昆明理工大学 信息工程及自动化学院,云南 昆明 650504; 2.安徽大学 电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230000)

为了确保太阳能电池工作在最大功率点(MPP)，提高光伏阵列的转换效率，研制了一种光伏系统功率优化器，介绍了系统的组成结构与工作原理。设计了降压斩波电路(BUCK电路)、驱动电路和采集电路等系统模块电路，建立了光伏系统功率测试系统，于静态和动态2种环境下进行性能测试，实验结果由测试上位机软件实时显示，结果表明：系统跟踪MPP的效率为99.38 %，在2种情况下均能够准确、实时地跟踪MPP，且系统稳定，检测结果精度较高。

光伏系统； 最大功率点； 功率优化器； 降压斩波电路

0 引 言

在太阳能电池光伏阵列中,由于每块太阳能电池板出厂参数不尽相同,而且每块太阳能电池板的实时运行环境也不完全相同,使得光伏阵列有时无法输出其最大功率,降低了光伏阵列转换效率[1]。此时需要外部的辅助电路,实时跟踪太阳能电池板的最大功率,确保太阳能电池的转换效率[2]。2007年,孙良伟、邓焰等人探究了单相光伏并网发电系统中DC/DC变换器的优化[3]；2014年,刘邦、罗晓曙等人提出了一种在单个光伏电池组件接入功率优化器的光伏阵列架构[4]。

本文通过最大功率点跟踪(maximum power point tra-cking,MPPT)建立了太阳能光伏功率优化器系统,并测试了系统在静态和动态2种环境下的精确度和稳定性,实验结果曲线由上位机测试软件实时显示。

1 工作原理

在光照强度和环境温度等外部条件一定时,太阳能电池存在最大功率点(maximum power point,MPP),且MPP和太阳能电池的输出电压存在对应关系[5]。当改变负载,使太阳能电池伏安特性与负载匹配时,太阳能电池输出达到最大功率[6]。

太阳能电池的MPPT控制过程,实际上就是使太阳能电池输出阻抗和负载等值匹配的过程[7]。当外部环境改变时,太阳能电池U-I,U-P曲线也将相应发生改变,亦即与太阳能电池输出阻抗相匹配的负载需要发生对应改变,才能使太阳能电池继续工作在MPP处[8,9]。

为了实现负载实时匹配太阳能电池的输出阻抗,设计了一种光伏功率优化器系统,如图1所示,其中,IPV为太阳能电池工作电流；UPV为太阳能电池工作电压；TM为Buck电路中开关管的温度。采样电路将需要采集的信号按照一定的方式变换为微控制器能够采集的信号形式；Buck电路是实现太阳能电池负载匹配的DC/DC变换器,通过对Buck电路中开关管的控制[10],实现对太阳能电池工作电压的控制；驱动电路将微控制器输出的弱控制信号转换为能够驱动开关管的强控制信号,使开关管进行相应的动作[11]。

图1 功率优化器系统框图

系统工作原理为：太阳能电池工作的电流值IPV和电压值UPV通过采样电路采集、传输给微控制器,微控制器根据IPV和UPV通过驱动电路来控制Buck电路中开关管的导通与关断,从而实现改变太阳能电池输出阻抗与等值负载匹配。

2 光伏系统功率优化器硬件设计

2.1 Buck电路设计

Buck电路是通过一个全控器件的导通和关断调整电压输出的,图2为Buck电路的基本电路结构,主要由全控器件V、续流二极管VD、电感器L、电阻器R和电源E和反向电动势Em组成,其中，如果电路中没有反向电动势,则可以令Em=0。

图2 Buck电路

2.2 驱动电路设计

驱动电路如图3所示,驱动芯片采用单2A高速低端栅极驱动芯片FAN3100T,工作电压为12 V时，其漏源电流可以达到3A,最大输出电压为18 V。电路中在驱动电路和开关管之间设计了隔离电路,由三极管Q1、二极管D3和电阻器R4组成,作用是隔离开关管和驱动电路,避免当开关管发生故障时损毁驱动芯片,同时,也能够在驱动芯片无驱动信号时拉低开关管的驱动信号,避免无驱动信号时驱动芯片可能发生的故障。

2.3 采样电路设计

采集电路除了需要采集供太阳能电池工作的电流值IPV和电压值UPV,还需要采集MOSFET温度,目的是为了有效地保护开关管,防止开关管温度过高导致器件损毁。电流采样电路如图4。

图3 MOSFET驱动电路

微控制器的AD模块需将电流串联电阻转换为电压再进行电流数据采样。由功率的计算公式P=I2R可知,串联的采样电阻器阻值不可以太大,否则将增加电路损耗，影响整体效率。因此,选用阻值为0.005 ,误差在1 %以内的精密电阻器,避免后级处理使采样电流值产生较大的失真。采样电阻器输出的电压值经过分压后传给由运算放大器组成放大电路,并使用多个电阻器串联的形式以提高电路耐流能力。

3 光伏系统功率优化器软件设计

图5为功率优化器控制流程,系统上电后,微控制器首先对各个模块进行初始化,然后,分两路同时执行程序,一路通过主程序循环执行开关管工作温度的检测,一旦发现开关管温度过高或不正常工作,微控制器将执行异常处理程序,以确保系统安全稳定的工作；另一路检测所采集的太阳能电池工作电压V和电流I是否正确,并经过滞环比较算法的基本规则计算出正确的输出电压,再通过PI闭环控制调整太阳能电池输出电压,使太阳能电池工作在滞环比较法要求的电压处,重复以上过程，使功率优化器正常工作,完成MPPT功能。

图6显示MPPT控制流程,程序中使TIM1输出60 kHz的中心对齐脉冲带宽调制(PWM),并在每次溢出事件发生时触发ADC采集太阳能电池的工作电压和电流。PI调节器在TIM1的溢出中断发生后才进行,设置TIM1的重复次数寄存器为5,所以,每发生7次溢出事件产生一次中断,即PI调节器的工作频率为10 kHz。变步长滞环比较法的功率比较和电压输出均在TIM2的周期中断内完成,TIM2的中断周期为1 ms,即每隔1 ms确定一次太阳能电池的输出电压,并传输给PI调节器进行闭环调节太阳能工作电压,最终使太阳能电池工作在MPP附近。

图5 功率优化器的总体控制流程

图6 MPPT电压控制框图

4 实 验

为了便于实验和验证MPPT算法有效性,实验中采用光伏模拟器代替太阳能电池,同时,为了能够提供可靠的负载,使用电子负载代替实际使用的负载,实验中,使用的电子负载型号为IT 8511+。实验设计分为2个部分：1)在环境条件不变(静态)的情况下,分别对工作电压和输出功率进行测试,验证算法正确性和静态性能；2)在环境条件改变(动态)时,验证算法动态性能。

1)静态性能测试实验

设置Umpp=50 V,Pm=400 W,MPP输出功率为Pmpp=0.3Pm=133.3 W，为标准静态环境条件,其实验结果如图7所示,从上位机计算得出的MPPT的效率为99.38 %；平均输出功率为119.28 W,非常接近MPP处的输出功率；太阳能电池的平均工作电压为50.060 V,MPP处电压的误差仅为0.12 %；系统追踪到MPP所花费的时间在5s以内。实验结果表明:系统能够稳定、快速地跟踪MPP,且检测结果精度高。

图7 环境稳定时实验结果

2)动态性能测试实验

图8 动态MPPT实验参数配置界面

图9 动态环境下的实验结果

图8为在进行动态MPPT实验时,光伏模拟器的参数配置界面。在动态实验时,光伏模拟器输出的I-V曲线和P-V曲线将按照图中的曲线簇,由下到上再由上到下反复变换,模拟环境动态变化的情形。图9为动态环境下的实验结果,结果表明：在环境变化时,系统能准确、实时地找出MPP,且稳定度高,没有出现误判的情况。

5 结束语

介绍了MPPT控制原理和光伏系统优化器的工作原理,提出了通过跟踪MPP,使太阳能电池工作在MPP处,提高光伏阵列的转换效率。建立了太阳能光伏功率优化器测试系统,于静态和动态2种环境下进行性能测试,实验结果通过上位机测试软件实时显示。系统在静态环境下,5 s内的MPPT效率为99.38 %,MPP处电压的误差为0.12 %；在动态环境下,准确无误地显示出了实时动态曲线,表明：系统在2种情况下均能够准确、实时地跟踪MPP,且系统稳定,检测结果精度较高。

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赵晓侠(1965-),副教授,硕士生导师,从事计算机应用研究工作。

束 军(1989-),男,通讯作者,硕士研究生,主要研究方向为仪器仪表工程。

Research and design of photovoltaic system power optimizer

ZHAO Xiao-xia1, SHU Jun1, GAO Zhi-yang2

(1.College of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650504,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Anhui University,Hefei 230000,China)

In order to ensure solar cells work at the maximum power point(MPP),improve conversion efficiency of photovoltaic array,a photovoltaic system power optimizer is researched.Structure and working principle of the system is introduced.Design buck chopper circuit,driving circuit and data collection circuit,etc,establish photovoltaic system test system,performance test under static and dynamic two environments are carried out,the experimental results are displayed on testing upper PC in real time,the results show that,the effect of MPP of system is 99.38 %,in two cases,it can accurately and real-time track MPP,and the system is stable,precision of detection results is high.

photovoltaic system; maximum power point(MPP); power optimizer; buck chopper circuit

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0081—03

2016—09—18

TM 72

A

1000—9787(2017)09—0081—03