小型光伏發電的控制系統設計※

李巖，姚振東，周駿鶴，劉凱，皮波

（成都信息工程學院，中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都610225）

引 言

陣列、最大功率點跟蹤器、蓄電池充放電控制器、蓄電池內阻測量、DC/DC電路、DC/AC電路等。

圖1 光伏發電系統結構框圖

光伏發電系統是以最大發電量為依據，因此光伏跟蹤系統的設計既要避免跟蹤不足，又要避免過度跟蹤，這也是現階段光伏跟蹤系統研究者常常忽略的最根本事實[2]。因此本文比較了目前光伏系統最大功率點跟蹤技術的幾種常用控制算法的優缺點，本系統在最大功率點附近采用阻抗匹配法，在遠離最大功率點的位置，使用擾動觀察法使電壓快速到達最大工作點。

1 獨立光伏發電系統

獨立光伏發電系統不與任何常規的電力系統連接，是獨立運行的發電系統。這種獨立運行的系統多用于偏遠山區、海上燈塔、野外自動觀測站等。由于獨立式光伏發電系統中太陽能是唯一的能量來源，為了保證系統的正常運行，系統中需要一個儲能環節來存儲能量。

圖1為小型光伏發電系統結構框圖，包括太陽能光伏

太陽能光伏陣列為系統中的核心部分，將太陽能直接轉換為電能。

蓄電池組的作用是將太陽能的電能儲存起來，當無光照或光照不足時，為后端負載提供電能。

直流穩壓電路（DC/DC穩壓電路）將太陽能控制調節后的電壓進行穩壓輸出，或者將蓄電池組提供的電壓進行穩壓輸出，系統要求輸出穩定的12 V電壓，為直流負載供電，此處的直流穩壓電路采用激式變換電路，同時對穩壓輸出的電壓、電流進行采集，確保輸出的電壓值為穩定的12 V。

太陽能逆變器（DC/AC逆變器）將直流電轉換為交流電，供交流負載使用。逆變器是光伏系統的重要組成部分，為了提高獨立光伏發電系統的整體性能，保證供電系統的長期穩定運行，對逆變器可靠性的要求很高。

2 光伏發電的基本原理

2.1 光伏陣烈

為了使光伏陣列快速達到最大功率點且在最大功率點穩定，在本設計中光伏系統在最大功率點附近區域采用阻抗匹配法，并選擇較小的電壓變化步長，在遠離最大功率點區域采用擾動觀察法。

2.2 蓄電池的充放電原理

由于鉛酸蓄電池價格低、容量大，目前免維護密封鉛酸蓄電池（VRLA）作為儲能器件應用最廣泛。鉛酸蓄電池以硫酸水溶液為電解質，正極板活性物質為二氧化鉛（PbO2），負極板活性物質為金屬鉛（Pb）。

在設計需要時對蓄電池的容量進行檢測，防止出現過充和過放現象，本系統采用的是電壓單環在線檢測模式。

3 獨立光伏發電系統設計

3.1 最大功率點跟蹤系統設計

由圖2可知，太陽能光伏陣列輸出直流電壓，經過DC/DC變換后，再經過濾波，向后端蓄電池、DC/AC和DC/DC模塊提供滿足要求的直流電壓。系統的控制功能由32位高速DSP芯片TMS320F2812來完成。光伏陣列輸出電壓、電流經過采樣電路處理后送入DSP的ADC采樣端口，將采集到的電壓、電流值在DSP中進行最大功率點跟蹤算法控制后，由PWM輸出端口送出控制信號到PWM信號驅動電路，PWM信號驅動電路的輸出信號將完成對功率器件的開關控制。最大功率點跟蹤系統由5部分組成，分別為電壓、電流采樣模塊，TMS320F2812，PWM信號驅動模塊，DC/DC轉換模塊。

3.1.1 電壓采樣模塊

電壓采樣模塊電路圖略——編者注。利用 HCNR200線性光耦進行光耦隔離測量。光伏陣列的輸出經電阻分壓后輸入給線性光耦HCNR200電路，在經過信號處理后向DSP提供控制參考。HCNR200是電流驅動性光耦，其LED的工作電流要求為1～20 m A，要求運放的驅動電流也必須達到20 m A[12]。綜合考慮，選擇AD8512運算放大器，其輸出電流可達50 m A。

圖2 最大功率點跟蹤系統結構框圖

3.1.2 電流采樣模塊

電流采樣模塊電路如圖3所示，使用了電流檢測芯片MAX4173，對檢流電阻兩端的微小電壓進行放大，并饋入到低壓ADC進行處理。這種情況下，通常需要在檢流電阻兩端對電流檢測信號進行濾波。本系統在設計的時候采用差分濾波器濾除負載電流和檢流電壓的“毛刺”，同時采用共模濾波器，以增強在出現共模電壓尖峰或瞬時過壓時的ESD保護能力。設計中，測流電阻RSENSE的阻值過高和過低都不利于電流的檢測[13]，因此本系統的測流電阻RSENSE的阻值為50 mΩ。

3.1.3 控制模塊

控制模塊根據采集到的電流和電壓以及MPPT算法判斷最大功率點位置，輸出PWM控制信號驅動PWM信號驅動模塊，進而控制DC/DC轉換器的輸出電壓。采用的控制器為32位高速DSP芯片TMS320F2812。

3.1.4 DC/DC轉換模塊

DC/DC轉換器根據輸入的PWM波的占空比調整負載的阻抗到相應值，完成對光伏陣列工作點的控制功能。本系統采用的是反激式變換電路，其實質是使用了多繞組電感代替了常用的單繞組buck-boost電路，因此可等效為對buckboost電路建模，其交流小信號模型略——編者注[14]。

反激式直流變換器的主電路如圖4所示，電路由功率開關管V、電感變壓器T、二極管D和濾波電容Co構成。

反激式直流變換器中的電感變壓器起著電感和變壓的雙重作用。當功率開關管V導通時，電源向電感Lp儲能，二極管D截止，由輸出電容向負載供電；當V截止時，二極管D導通，變壓器儲能經Ls向負載放電和向電容充電。根據開關管V關斷時間內二極管D是否持續導通，可分為三種工作模式：連續導電模式、臨界連續模式和斷續導電模式[15]。這里的“連續”不再是單線圈電感電流的連續，而是用次級線圈晶體管截止時間電流狀態來說明，實際上是指磁通連續性。

圖3 電流采集電路

3.1.5 PWM信號驅動模塊

PWM信號驅動模塊由PWM控制信號驅動DC/DC轉換器工作。驅動電路的作用是將控制電路輸出的PWM脈沖放大到足以驅動功率管。設計中采用IR2110驅動芯片，用高速光耦6N137隔離，能夠快速地完成PWM信號的傳輸，并且具有隔離作用，滿足系統對驅動電路的設計要求。

圖4 反激式直流變換器的主電路圖

3.2 蓄電池充放電控制器及內阻測量模塊

隨著蓄電池的老化，其剩余容量隨之下降，內阻也逐漸增大[17]。一般認為，實際容量降到80%，電池的腐蝕將迅速加速，這時為保證整體系統的正常工作就需要及時替換電池，因此蓄電池內阻的測量有重要意義。

直流檢測法的優點是蓄電池在線也可以精確地測量內阻。因此采用直流檢測法中的二次放電法，通過對電池進行兩次放電，可以克服平衡電位不穩定等因素，提高測量精度。根據在不同電流（I1、I2）下的電壓變化（U1、U2），來計算內阻值，則I1、I2的放電回路如下：

由式（1）和式（2）可得蓄電池內阻為：

放電法測電阻電路如圖5所示，采用大回路法放電。三個場效應管IRF640一般狀態下是斷開的，當要測量蓄電池內阻時，DSP2812使3個場效應管IRF640同時導通，將R1、R2和R3三個電阻切入，形成放電回路。電池組對3個負載同時放電，通過電流采集電路采集電壓信號傳給CPU，在開關導通的同時，3個場效應管IRF640導通約2 s后關斷，然后，間隔一定時間后（3～5 min），再投入Rl和R2兩個電阻，同樣測得電池放電電流和單體電池電壓。CPU通過采集到的電壓信號，計算出單體電池的內阻。

3.3 DC/AC

逆變器是將直流電變換成交流電的關鍵設備。因為光伏陣列的輸出為直流電，必須要把直流電轉換成交流電才能共給交流負載使用，所以逆變器是非常重要的電能變換設備。

逆變器采用了SPWM波基本控制方法，因此選擇了EG8010芯片，EG8010是一款數字化的、功能很完善的自帶死區控制的純正弦波逆變發生器芯片，應用于DC-DC-AC兩級功率變換架構或DC-AC單級工頻變壓器升壓變換架構，外接12 MHz晶體振蕩器，能實現高精度、失真和諧波都很小的純正弦波50 Hz或60 Hz逆變器專用芯片。該芯片采用CMOS工藝，內部集成SPWM正弦波發生器、死區時間控制電路、幅度因子乘法器、軟啟動電路、保護電路、RS232串行通信接口和12832串行液晶驅動模塊等[17]。

4 系統軟件設計

根據前面介紹的蓄電池充放電的性質，可以將蓄電池過充點和過放點分別設置為2個閾值，分別為13 V和11 V。

系統不停地檢測太陽能電池的輸出電壓，當太陽能電池的輸出電壓充足時，采用太陽能電池為后端負載供電，同時檢測蓄電池的電壓是否充足，如果充足，則不需要給蓄電池充電，此時關斷蓄電池與太陽能電池的連接；當蓄電池的電壓不足時，太陽能的電能一部分為后端負載供電，另一部分為蓄電池充電，直至蓄電池充滿電后關斷蓄電池與太陽能電池的連接。當太陽能電池輸出的電壓不足時，斷開太陽能與蓄電池及后端負載的連接，采用蓄電池為后端負載供電，同時不停地檢測蓄電池的電壓。當蓄電池的電壓不足時，斷開蓄電池與負載的連接，停止放電。

系統中還加入了過流保護、過壓保護以及蓄電池內阻檢測，當系統中出現故障時，斷開所有開關，同時將故障傳給PC機，以便及時地檢修或者更換蓄電池，保證系統正常運行。

5 系統調試結果

本設計系統整體調試通過之后能夠滿足預期的功能要求：該系統輸出的12 V直流電可以為小型光伏發電系統自身供電，220 V交流電可以為筆記本電腦供電。

結 語

獨立光伏系統采用一片DSP控制，使得整個系統的可靠性和可控性提高，可以更好協調各部分與系統整體的關系。采用了反激式變換器，把原副邊之間的干擾信號隔開，同時提高了效率。將傳統的擾動觀察法和阻抗匹配法進行了結合，使光伏電池工作在最大功率點，提高了系統的轉換效率。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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