独立运行光伏发电系统研究

独立运行光伏发电系统研究 武慧 陈国呈 吴春华 （上海大学机电工程与自动化学院；上海市电站自动化技术重点实验室，上海 200072）

摘要：本文提出了一种独立运行光伏发电系统，系统包括光伏电池阵列、Ćuk型DC/DC变换器、全桥换流器、滤波器等环节。DC/DC变换器将光伏阵列产生的直流电能转化为一定电压给蓄电池充电，同时实现光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)。全桥换流器将蓄电池中储存的电能变换为220V交流电供本地负载。实验验证了系统的可行性。 关键词：光伏发电 MPPT 独立运行 中图分类号：TM615

引言 光伏发电系统有独立发电和并网发电两种工作方式。独立发电主要解决偏远的无电地区和特殊领域的供电问题，且以户用及村庄用的中小系统居多。从目前使用情况及今后一段时期发展来看，由于光伏发电的设备成本较高，大部分光伏发电应用不是在并网，而是作为独立的光伏电站。光伏电站具有“配置灵活(电站容量可大可小)、无污染、使用维护简单、不受距离的限制、只要有阳光就有电”的优点，因而在偏远地区作为户用电源和无人值守的通讯站、灯塔、航标、阴极保护等的电源得到大量的应用，也是光伏发电市场增长的重要组成部分。

1 系统工作原理

图1 独立运行系统拓扑图 本文对独立运行光伏发电系统进行了探讨和设计，系统主电路原理图如图1所示。本系统中， DC/DC变换器采用Ćuk型电路拓扑结构，将光伏阵列产生的直流电能转化为一定电压给蓄电池充电，同时实现光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)。蓄电池组与后级逆变器相连，逆变器将蓄电池中储存的电能逆变为交流电，再经过低通滤波、工频变压器的电压提升得到220V正弦交流电供给本地负载使用。 2 光伏电池的输出特性分析 光伏电池是利用半导体材料的光伏效应制成的，所谓光伏效应，是指半导体材料吸收光能，由光子激发出的电子-空穴对经过分离而产生电动势的现象。光伏电池的输出特性随日照强度和环境温度变化，其函数关系可表示为I＝f（V，GA，TC）。其中GA表示日照强度，

TC表示环境温度。光伏电池实际等效电路可用图2示二极管模型表示。 图2 光伏电池等效电路 模型中包括光电流源Iph、二极管、串联二极管RS（相当于光伏电池单体中串联内阻）。

光伏电池单体输出电流为光电流和二极管电流之差值。 ()⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛−+−=−=1exp

CS

OphDphmkT

IRVqIIIII（2-1）

其中：m为理想因数，k为波尔兹曼常数，TC为光伏电池绝对温度，q为电子电荷，V为光伏电池端电压，IO为和温度有关的无照饱和电流。光伏电池单体的理想因数在1和2之间，电流较大时接近于1，电流较小时接近于2，其典型值为1.3。 本文根据公式2-1建立了光伏电池的MATLAB仿真模型，并得到如图2-6、2-7所示光伏电池输出特性仿真曲线。可见，日照强度和环境温度的改变影响光伏电池输出特性。由图2-6知，开路电压和短路电流随日照强度的增强而增大。由图2-7知，电池温度增加的结果是使得开路电压减小，从而效率减小，短路电流随电池温度的变化并不明显。

图3 日照强度变化对PV输出特性的影响 图4 温度变化对PV输出特性的影响 3独立运行光伏系统研究 3.1光伏阵列MPPT的实现

图5 MPPT充电控制器等效电路 根据第2节对光伏电池的输出特性的分析，为了最大效率地利用光伏阵列发出的能量，有必要采用MPPT技术。 光伏电池板可以看作电压源和内阻的串连。Ćuk型DC/DC变换器可以看作变比为k的直流变压器[1]，并且k与开通占空比D之间存在如下关系：

DDVVkinout−==1，()1,0∈D （3-1） 对图5（a）中虚线框部分进行戴维南等效，有 eqeqeqRD

DRkR

2

2'11

⎟⎠

⎞⎜

⎝

⎛−==，()1,0∈D （3-2）

在足够短的时间范围内，可以认为日照强度和环境温度是没有变化的，即光伏电池板输出特性一定，换言之，此时存在唯一的最大功率点[2]。根据最大功率传输定理，当输出电

阻Req‘与负载电阻RL匹配时，负载电阻获得最大功率。根据式3-2，可以通过对MPPT控制器输出脉冲占空比D的调整，方便地改变Req‘使之与RL相等，从而实现最大功率点跟踪控制。 考虑到计算的方便和控制实现的简单，本文采用扰动观察法(又称爬山法)实现最大功率点跟踪。其工作原理可以表示为 ()()1,,1−+−ΔΔ+=kinkinkkkPPsignDsignDDD （3-3）

其中：|∆D|为扰动量，即用于实现MPPT动作的DC/DC变换器PWM输出占空比增加量；Dk+1和Dk分别为第k+1、k时刻的占空比；Pin，k和Pin，k-1分别为第k、k-1时刻的输出功率

值；符号函数sign(x)作如下定义 ()()0011<≥⎩⎨⎧−==xxifxsign

ifxsign （3-4）

图6 MPPT控制替代实验电路 图6为MPPT控制替代实验电路，主电路由光伏电池板（由直流电源和等效内阻的串联电路等效）、一个可控输出的Cuk型DC/DC变换器、一个可变电阻负载RL组成，MPPT

控制器的控制策略采用以TI DSP2407为核心的控制电路来实现。DSP中两路A/D输入通道分别作为蓄电池充电电流和蓄电池两端电压的采集通路。MPPT控制器直接输出PWM波控制DC/DC变换器。MPPT控制器采用式3-3的控制策略。实验通过改变负载电阻、电源串联电阻和电源电压来观察MPPT的跟踪效果。测得实验数据如表1(初始状态直流电源电压为40V，电源串联内阻为12.8Ω，负载电阻为15Ω )。 表1 MPPT验证的实验结果

测试量 Req=12.8Ω RL=15Ω Req=12.8Ω RL=15Ω Req=12.8Ω RL=15Ω Req=12.8Ω RL=15Ω Req=12.8Ω RL=15Ω 电源电压（V） 40 40 40 40 50 负载电压（V） 约20.5 约19.9 约19.8 约20.4 约25.3 从表1可知，测得负载电压基本在电源电压的的一半，这种波动也正好说明MPPT控制器的跟踪过程。 3.2蓄电池组充电算法研究 对光伏电源系统来说，不是说采用MPPT技术就能实现从光伏输出能量的最大利用，还必须考虑到系统的负载特性。换言之，智能充电控制策略的确定应该对MPPT技术和蓄电池充电特性进行综合考虑。 本文采用的充电控制思想如图7所示[3]。程序中设定一个最大允许充电电流寄存器，在

充电过程中，不断检测蓄电池电流，保证充电电流不大于最大允许充电电流。不断检测蓄电池电压，一旦达到2.4V/单体电池，说明蓄电池已经进入过充状态，此时减小最大允许充电电流，这个减小电流的过程一直到充电电流达到C/100时停止。当检测到蓄电池充电电流达到C/100时，蓄电池达到100％充满状态。在此之后的充电阶段，蓄电池保持一个小电流来补偿蓄电池自身放电电流的损失，当检测到放电发生时，重新允许以最大电流对蓄电池进行充电。

蓄电池充电电压

蓄电池容量SOC, %100

C1

C3

C2

Cn=C/100

2.2V2.3V2.4V

图7 光伏发电系统中蓄电池充电策略基本思想 （C1、C2、Cn为蓄电池充电速率；C为蓄电池容量（AH）） 图8为采用MPPT充电控制算法的铅酸蓄电池（额定电压为12V）充电曲线图，该实验是在某日的16点到24点之间测得的一组数据。在充电初期，见图8(b)a-b曲线段，此段时间并未启动MPPT充电子程序，此时充电电流在5A以下；而在b点之后的充电阶段，通过键盘设定启动MPPT子程序。从电流充电曲线可以看出，由于加入了MPPT充电控制策略，蓄电池的充电电流提高到5.5A左右，效率提高了近20％。

11.512.012.513.013.514.014.515.015.5

012345616:0016:2016:4017:1017:3018:0018:4019:2020:0020:2020:4021:0021:1021:2021:3021:3621:4322:2023:40时间（分）

蓄电池电流（A)

(a)

(b)ab

c

de

f

蓄电池电压（V)

图8 蓄电池MPPT充电曲线图 (a) 电压变化曲线 (b) 电流变化曲线 3.3独立运行光伏系统逆变器研究 全桥式逆变器一般采用PWM控制，常用PWM可分为单极性调制和双极性调制。相比于双极性调制，输出同样幅值基波电压，单极性调制的调制频率为载波频率的两倍，且谐波幅值较低，使得输出端滤波器的设计更加容易[4]。

本文采用如图9所示单极性调制方法，图中ex为a相正弦调制波，－ex为b相正弦调