光伏系統功率優化器研究與設計

趙曉俠， 束 軍， 高志陽

(1.昆明理工大學 信息工程及自動化學院,云南 昆明 650504; 2.安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230000)

光伏系統功率優化器研究與設計

趙曉俠1， 束 軍1， 高志陽2

(1.昆明理工大學 信息工程及自動化學院,云南 昆明 650504; 2.安徽大學 電氣工程與自動化學院，安徽 合肥 230000)

為了確保太陽能電池工作在最大功率點(MPP)，提高光伏陣列的轉換效率，研制了一種光伏系統功率優化器，介紹了系統的組成結構與工作原理。設計了降壓斬波電路(BUCK電路)、驅動電路和采集電路等系統模塊電路，建立了光伏系統功率測試系統，于靜態和動態2種環境下進行性能測試，實驗結果由測試上位機軟件實時顯示，結果表明：系統跟蹤MPP的效率為99.38 %，在2種情況下均能夠準確、實時地跟蹤MPP，且系統穩定，檢測結果精度較高。

光伏系統； 最大功率點； 功率優化器； 降壓斬波電路

0 引 言

在太陽能電池光伏陣列中,由于每塊太陽能電池板出廠參數不盡相同,而且每塊太陽能電池板的實時運行環境也不完全相同,使得光伏陣列有時無法輸出其最大功率,降低了光伏陣列轉換效率[1]。此時需要外部的輔助電路,實時跟蹤太陽能電池板的最大功率,確保太陽能電池的轉換效率[2]。2007年,孫良偉、鄧焰等人探究了單相光伏并網發電系統中DC/DC變換器的優化[3]；2014年,劉邦、羅曉曙等人提出了一種在單個光伏電池組件接入功率優化器的光伏陣列架構[4]。

本文通過最大功率點跟蹤(maximum power point tra-cking,MPPT)建立了太陽能光伏功率優化器系統,并測試了系統在靜態和動態2種環境下的精確度和穩定性,實驗結果曲線由上位機測試軟件實時顯示。

1 工作原理

在光照強度和環境溫度等外部條件一定時,太陽能電池存在最大功率點(maximum power point,MPP),且MPP和太陽能電池的輸出電壓存在對應關系[5]。當改變負載,使太陽能電池伏安特性與負載匹配時,太陽能電池輸出達到最大功率[6]。

太陽能電池的MPPT控制過程,實際上就是使太陽能電池輸出阻抗和負載等值匹配的過程[7]。當外部環境改變時,太陽能電池U-I,U-P曲線也將相應發生改變,亦即與太陽能電池輸出阻抗相匹配的負載需要發生對應改變,才能使太陽能電池繼續工作在MPP處[8,9]。

為了實現負載實時匹配太陽能電池的輸出阻抗,設計了一種光伏功率優化器系統,如圖1所示,其中,IPV為太陽能電池工作電流；UPV為太陽能電池工作電壓；TM為Buck電路中開關管的溫度。采樣電路將需要采集的信號按照一定的方式變換為微控制器能夠采集的信號形式；Buck電路是實現太陽能電池負載匹配的DC/DC變換器,通過對Buck電路中開關管的控制[10],實現對太陽能電池工作電壓的控制；驅動電路將微控制器輸出的弱控制信號轉換為能夠驅動開關管的強控制信號,使開關管進行相應的動作[11]。

圖1 功率優化器系統框圖

系統工作原理為：太陽能電池工作的電流值IPV和電壓值UPV通過采樣電路采集、傳輸給微控制器,微控制器根據IPV和UPV通過驅動電路來控制Buck電路中開關管的導通與關斷,從而實現改變太陽能電池輸出阻抗與等值負載匹配。

2 光伏系統功率優化器硬件設計

2.1 Buck電路設計

Buck電路是通過一個全控器件的導通和關斷調整電壓輸出的,圖2為Buck電路的基本電路結構,主要由全控器件V、續流二極管VD、電感器L、電阻器R和電源E和反向電動勢Em組成,其中，如果電路中沒有反向電動勢,則可以令Em=0。

圖2 Buck電路

2.2 驅動電路設計

驅動電路如圖3所示,驅動芯片采用單2A高速低端柵極驅動芯片FAN3100T,工作電壓為12 V時，其漏源電流可以達到3A,最大輸出電壓為18 V。電路中在驅動電路和開關管之間設計了隔離電路,由三極管Q1、二極管D3和電阻器R4組成,作用是隔離開關管和驅動電路,避免當開關管發生故障時損毀驅動芯片,同時,也能夠在驅動芯片無驅動信號時拉低開關管的驅動信號,避免無驅動信號時驅動芯片可能發生的故障。

2.3 采樣電路設計

采集電路除了需要采集供太陽能電池工作的電流值IPV和電壓值UPV,還需要采集MOSFET溫度,目的是為了有效地保護開關管,防止開關管溫度過高導致器件損毀。電流采樣電路如圖4。

圖3 MOSFET驅動電路

微控制器的AD模塊需將電流串聯電阻轉換為電壓再進行電流數據采樣。由功率的計算公式P=I2R可知,串聯的采樣電阻器阻值不可以太大,否則將增加電路損耗，影響整體效率。因此,選用阻值為0.005 ,誤差在1 %以內的精密電阻器,避免后級處理使采樣電流值產生較大的失真。采樣電阻器輸出的電壓值經過分壓后傳給由運算放大器組成放大電路,并使用多個電阻器串聯的形式以提高電路耐流能力。

3 光伏系統功率優化器軟件設計

圖5為功率優化器控制流程,系統上電后,微控制器首先對各個模塊進行初始化,然后,分兩路同時執行程序,一路通過主程序循環執行開關管工作溫度的檢測,一旦發現開關管溫度過高或不正常工作,微控制器將執行異常處理程序,以確保系統安全穩定的工作；另一路檢測所采集的太陽能電池工作電壓V和電流I是否正確,并經過滯環比較算法的基本規則計算出正確的輸出電壓,再通過PI閉環控制調整太陽能電池輸出電壓,使太陽能電池工作在滯環比較法要求的電壓處,重復以上過程，使功率優化器正常工作,完成MPPT功能。

圖6顯示MPPT控制流程,程序中使TIM1輸出60 kHz的中心對齊脈沖帶寬調制(PWM),并在每次溢出事件發生時觸發ADC采集太陽能電池的工作電壓和電流。PI調節器在TIM1的溢出中斷發生后才進行,設置TIM1的重復次數寄存器為5,所以,每發生7次溢出事件產生一次中斷,即PI調節器的工作頻率為10 kHz。變步長滯環比較法的功率比較和電壓輸出均在TIM2的周期中斷內完成,TIM2的中斷周期為1 ms,即每隔1 ms確定一次太陽能電池的輸出電壓,并傳輸給PI調節器進行閉環調節太陽能工作電壓,最終使太陽能電池工作在MPP附近。

圖5 功率優化器的總體控制流程

圖6 MPPT電壓控制框圖

4 實 驗

為了便于實驗和驗證MPPT算法有效性,實驗中采用光伏模擬器代替太陽能電池,同時,為了能夠提供可靠的負載,使用電子負載代替實際使用的負載,實驗中,使用的電子負載型號為IT 8511+。實驗設計分為2個部分：1)在環境條件不變(靜態)的情況下,分別對工作電壓和輸出功率進行測試,驗證算法正確性和靜態性能；2)在環境條件改變(動態)時,驗證算法動態性能。

1)靜態性能測試實驗

設置Umpp=50 V,Pm=400 W,MPP輸出功率為Pmpp=0.3Pm=133.3 W，為標準靜態環境條件,其實驗結果如圖7所示,從上位機計算得出的MPPT的效率為99.38 %；平均輸出功率為119.28 W,非常接近MPP處的輸出功率；太陽能電池的平均工作電壓為50.060 V,MPP處電壓的誤差僅為0.12 %；系統追蹤到MPP所花費的時間在5s以內。實驗結果表明:系統能夠穩定、快速地跟蹤MPP,且檢測結果精度高。

圖7 環境穩定時實驗結果

2)動態性能測試實驗

圖8 動態MPPT實驗參數配置界面

圖9 動態環境下的實驗結果

圖8為在進行動態MPPT實驗時,光伏模擬器的參數配置界面。在動態實驗時,光伏模擬器輸出的I-V曲線和P-V曲線將按照圖中的曲線簇,由下到上再由上到下反復變換,模擬環境動態變化的情形。圖9為動態環境下的實驗結果,結果表明：在環境變化時,系統能準確、實時地找出MPP,且穩定度高,沒有出現誤判的情況。

5 結束語

介紹了MPPT控制原理和光伏系統優化器的工作原理,提出了通過跟蹤MPP,使太陽能電池工作在MPP處,提高光伏陣列的轉換效率。建立了太陽能光伏功率優化器測試系統,于靜態和動態2種環境下進行性能測試,實驗結果通過上位機測試軟件實時顯示。系統在靜態環境下,5 s內的MPPT效率為99.38 %,MPP處電壓的誤差為0.12 %；在動態環境下,準確無誤地顯示出了實時動態曲線,表明：系統在2種情況下均能夠準確、實時地跟蹤MPP,且系統穩定,檢測結果精度較高。

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趙曉俠(1965-),副教授,碩士生導師,從事計算機應用研究工作。

束 軍(1989-),男,通訊作者,碩士研究生,主要研究方向為儀器儀表工程。

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