基于可变拓扑结构的太阳能光伏发电系统设计

李举国，兰卫东

(贵州兴陆高速公路发展有限公司，贵州 遵义 564100)

太阳能作为新型的清洁能源，能在提供能源的同时，较大程度上减少环境污染。为了使太阳能发电的成本支出较少，同时又使得发电时间尽可能的增加，从而促进发电的效率，现有的途径就是让太阳能光伏板获取太阳能的能力达到极限。太阳能光伏板作为太阳能发电的承载物体，充分使其能力达到最佳，则能够保障对太阳能的最佳获取[1-4]。截止至2017年，我国高速公路里程达13.1万千米，其中大部分高速公路具备闲置边坡、匝道、屋顶与待修建的充电站、停车棚等优势资源与拥有得天独厚的太阳能资源。充分利用高速公路沿线及其服务区、停车场，推动太阳能光伏电站建设，在达到自用电充裕情况下可向电网输送多余电量，创造了一定的经济效益。

与在太阳能光伏系统中采用固定的拓扑结构所不同的是，本文设计出了一种可变的拓扑结构。固定拓扑结构的太阳能光伏系统不能灵活的对不同强度的太阳光进行调整，使得发电量效率低下，资源并未得到良好的利用。而本文提出的基于可变拓扑结构的太阳能发电系统中，光伏组件采用串联，可以有效克服上述存在的缺点。

1 系统整体构成

如图1所示，该系统主要由控制模块、驱动电路、拓扑可变光伏板、光强检测模块、光伏逆变器、控制器、蓄电池组、电源模块等组成[5-7]。当有光照产生时，作用在该系统上，光强检测模块会将其检测出来，并检测出光强的大小；系统中的对应模块将会根据相应光强信号的强弱产生相应的脉冲信号，从而触发继电器，连通系统电路；继电器的开关控制着太阳能光伏板以串联或是并联的结构出现在系统中，由此使得组件的输出达到电压最低的标准要求，从而利用系统的优势提高原始光伏发电系统的发电量。

图1 可变拓扑结构光伏发电系统图

2 可变拓扑结构的光伏模块设计

2.1 光伏模块设计

如图2所示，为单个的光伏组件系统。系统主要通过继电器控制触点组件之间连接的正负极，其中1和2为光伏组件，3和4为继电器常闭触点，5为继电器常开触点，6为逆变器。该拓扑结构能较好地实现系统发电最大化。

图2 单组光伏组件模块示意图

2.2 修正变步长增量电导MPPT控制法

光伏发电过程中，由于太阳能的随机性、不确定性等特点，光伏系统输出特性与光辐射强度及电池温度不是线性变化的。因此，在特定的工作环境下存在唯一一个最大功率输出点。而实际工况中，由于太阳光的自身随机性与不确定性，为在相同环境条件下获取更大的输出，提升光伏阵列发电效率，需要对光伏系统进行最大功率点跟踪(MPPT)控制。因此，MPPT 算法的设计是目前研究的焦点和热点之一[8-9]。

在光伏系统中，电池结温和光辐强度不变时，随着光照强度的不断增大，此时系统的端电压也在不断增加。电流也同样呈现出增大的情况，光伏系统的输出将达到峰值，算法流程如图3所示。

图3 修正变步长增量电导法算法流程图

2.3 工作原理

当太阳光照射器件时，器件中特定的结构能够准确的检测到光照，并同时对光照的强弱进行检测。接着，系统会判断当前的光照强度是否满足逆变器所需的最低强度要求。若当前的光照强度高于系统所需的光照强度，继电器将处于闭合的状态。在继电器闭合的情况下，组件1、2对应的电极将会通过继电器接通电路，形成组件并联的结构。若当前光照不高于系统所需的强度，继电器由于未达到所需的电流将会处于常开的状态，组件1、2的对应极将会在没有继电器的情况下进行接通，最终形成串联结构。

3 光伏控制系统算法设计

该系统算法由两个嵌套的判断组成，具体流程如图4所示。当系统启动后，需要对启动时间进行判断，从而决定继续下一步判断或是直接关闭系统。当启动时间恰好不在程序预设的范围之内，则系统无法被激活，要进行下一步的等待，直到启动的时间到达程序设定的时间；当启动的时间在程序事先设定的范围内时，由于有光照照射到设备上，则系统将对当前的光照强度进行检测。若当前的光照小于系统所需的最小的光照，继电器将会处于常闭的状态，使得系统处于一种拓扑状态；若当前的光照大于系统所需的最小光照时，继电器将会处于常开的状态，使得系统处于另一种拓扑结构，从而使系统能够继续发电[10-12]。

图4 可变拓扑光伏发电系统该控制

4 实验结果

4.1 MPPT仿真实验

此处采用PSIM仿真软件(PSIM是面向电力电子领域以及电机控制领域的仿真应用包软件)对实验进行仿真，模拟的当前光照为800 W/m2。光伏电池的相关参数选择如下：ISC取2.8 A，VOC取31.5 V，Im取2.1 A，Vm取50 W；系统中拓扑系数在时间t=0.75 s时由1变为2，在时间t=1.46 s最终变回1；对于其中的步长调节选取n=2，具体的实验结果，如图5所示。

图5 修正变步长法MPPT仿真结果图

由图可以看出，系统在进行6次的步长调整后，输出的电压电流便相对较为稳定。在B点，随着光照强度的减小，系统进行调节之后也达到了稳定的输出。而这两次的输出均伴随着光伏模块拓扑系数的变化，以上也体现出MPPT具有较好的稳定性和较快的调节功能。

4.2 系统发电实验

事实上，太阳能光伏板如何摆放，最终与地面形成的角度影响着太阳能的接收。光伏板接收到的总太阳光照

Hq=Hbt+Hdt+Hrt

其中，Hq是天空散射的辐射量；Hbt是直接来自太阳的辐射；Hdt是通过地面反射而来的。

其中，ρ、Rb、φ、hβ、Hq分别为反射率、水平面与倾斜面的辐射量的比值、纬度、日落时间角以及辐射总量。本文对系统的性能进行测试，结果如表1所示，从表可知，系统发电量增加。

表1 发电系统不同月份下的发电量

5 结束语

针对固定拓扑结构的太阳能光伏系统不能灵活的对不同强度的太阳光进行调整，使得发电量效率低下，资源未得到较好利用的缺点，本文提出的基于可变拓扑结构的太阳能发电系统，通过可变的拓扑结构维持电压电流的稳定，使得获得太阳光照的强度达到最大值，具有较好利用前景。