周 用，李紹武

(湖北民族大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖北 恩施 445000)

光伏系統(tǒng)以綠色環(huán)保、清潔可再生著稱，是當(dāng)前較為理想的發(fā)電方式之一.同時(shí)，中國出臺了“光伏扶貧”的民生政策，用以改善農(nóng)村粗放用能模式、緩解能源緊缺局面、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展[1-2].

傳統(tǒng)電網(wǎng)向缺電的偏遠(yuǎn)地區(qū)送電，往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力且需架設(shè)線桿、破壞生態(tài)環(huán)境，而小型離網(wǎng)光伏系統(tǒng)成本低且安裝方便[3-5].為此，本文將對多用途離網(wǎng)光伏電源進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成實(shí)物制作與測試，以期設(shè)備能在向陽處獨(dú)立運(yùn)行并提供穩(wěn)定可靠的電能.研究過程中將針對該設(shè)備的控制環(huán)節(jié)依據(jù)現(xiàn)有MPPT理論給出合理的設(shè)計(jì)方案.多用途光伏電源設(shè)備的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是設(shè)計(jì)山區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的前提條件.文中將結(jié)合山區(qū)旅游景點(diǎn)的建筑特點(diǎn)來設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu).通過多用途光伏電源系統(tǒng)，景區(qū)內(nèi)的各類公用設(shè)施也能獨(dú)立獲取靈活便捷、成本低廉的電能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的.

1 系統(tǒng)整體構(gòu)架的設(shè)計(jì)

圖1所示的光伏系統(tǒng)是以單臺離網(wǎng)光伏電源設(shè)備為控制和輸出核心的獨(dú)立發(fā)電單元，圖1中分別設(shè)計(jì)了光伏PV模塊、電源設(shè)備模塊、用電負(fù)荷模塊、儲能系統(tǒng)模塊，并標(biāo)注了電能與控制信號流向.為了降低設(shè)備電能損耗，設(shè)備模塊選用低功耗的STM32單片機(jī)作為主控制器[6-7].通過其A/D轉(zhuǎn)換單元采集逆變器的輸出信號，然后產(chǎn)生所需的PWM波及SPWM波以控制DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器，同時(shí)作為光伏PV模塊中的MPPT控制器實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤.圖1中，n個(gè)光伏PV模塊PV1～PVn并聯(lián)在一起，采用直流母線匯流方式為光伏電源設(shè)備提供充足的電能.在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，綜合考慮安全電壓及光伏陣列最大功率點(diǎn)處電壓等因素，直流母線電壓設(shè)定為36 V.為了實(shí)現(xiàn)光伏電池對直流母線的電能最大傳輸，MPPT控制器向每個(gè)DC/DC變換器(Boost)分別輸出占空比可調(diào)的驅(qū)動(dòng)信號，從而使每個(gè)光伏PV模塊工作于最大功率點(diǎn).電源設(shè)備模塊的主控制器能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)調(diào)節(jié)，使母線直流電經(jīng)升壓、逆變環(huán)節(jié)，轉(zhuǎn)換成可供多臺常用電器負(fù)荷使用的工頻交流電.系統(tǒng)選配額定工作電壓為24 V的鉛酸蓄電池組，有助于維持母線電壓的穩(wěn)定.控制器中設(shè)置儲能識別系統(tǒng)，在陽光輻照量充沛且電量富余的情況對蓄電池充電儲能，以應(yīng)對夜間及陰雨天氣的間歇性影響.系統(tǒng)預(yù)留了并網(wǎng)插口，當(dāng)系統(tǒng)的使用環(huán)境能夠滿足并網(wǎng)條件時(shí)，主控制器的鎖相環(huán)程序能控制系統(tǒng)穩(wěn)定地向電網(wǎng)側(cè)傳輸能量.

圖1 光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖Fig.1 The design of the photovoltaic power system

圖2 多個(gè)單元系統(tǒng)的布局與控制模式圖Fig.2 The layout and control the mode of multi-unit power system

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的光伏電源設(shè)備支持多臺同時(shí)運(yùn)行，由于擴(kuò)展了光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量，在大功率集中用電的場合也能實(shí)現(xiàn)用戶的“即插即用”效果.為了匹配負(fù)荷的用電需求，依據(jù)實(shí)際情況，可以在“任意地點(diǎn)、任意時(shí)刻”將光伏電池板PV的數(shù)量進(jìn)行增減裝卸.多個(gè)光伏電源設(shè)備可以配置多個(gè)發(fā)電單元的光伏系統(tǒng).由于每臺光伏電源設(shè)備設(shè)有對外的控制接口，均能向外發(fā)出獨(dú)立的MPPT及儲能控制信號.因此，該系統(tǒng)中的每個(gè)獨(dú)立單元能分別適應(yīng)不同的光伏板輻照度及不同的負(fù)載分布情況.多個(gè)光伏發(fā)電單元的布局可以實(shí)現(xiàn)給不同的用戶分別進(jìn)行獨(dú)立供電的模式.其中最為典型的方式是為旅游景區(qū)的建筑房間設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)布局，如圖2所示.在該系統(tǒng)中光伏板可按照最佳傾角統(tǒng)一選址安裝，建筑的每個(gè)用戶的房間都可以獲得一臺或多臺光伏電源提供的電力.

2 模塊式光伏電源的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的單相離網(wǎng)型光伏電源的模塊包括：①過壓過流保護(hù)裝置；②Boost升壓轉(zhuǎn)換器；③逆變器；④隔離驅(qū)動(dòng)電路；⑤STM32單片機(jī)控制器；⑥直流輔助電源；⑦檢測電路.上述系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示，電源設(shè)備的兩端分別是直流輸入口和交流輸出口，同時(shí)配備了外部控制接口用以連接蓄電池組等其它外部光伏系統(tǒng)設(shè)備.

圖3 電源整體設(shè)計(jì)框圖Fig.3 The overall frame design of the PV source

圖4 核心電路設(shè)計(jì)圖Fig.4 The design of the key circuit

圖5 光伏電源內(nèi)Boost電路簡化圖Fig.5 The simplified Boost circuit in the PV source

對市場現(xiàn)有的離網(wǎng)光伏電源進(jìn)行調(diào)研的結(jié)果表明，為了使離網(wǎng)光伏電源適應(yīng)偏遠(yuǎn)地區(qū)地理地貌的特點(diǎn)，須從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和供電技術(shù)上進(jìn)行改進(jìn)[8].本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的離網(wǎng)光伏電源對以下兩方面分別進(jìn)行了優(yōu)化.

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化.結(jié)構(gòu)輕量化便于設(shè)備配合地貌因地制宜地發(fā)電取電.

2)供電技術(shù)實(shí)現(xiàn)可靠性.供電的可靠性使得電器負(fù)載均能以額定值正常工作.

3 電路結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

光伏電源最核心部分是升壓逆變電路.圖4所示的是升壓逆變電路的硬件結(jié)構(gòu)，它的輸出穩(wěn)定且結(jié)構(gòu)輕便，有效地減少了實(shí)際產(chǎn)品的體積和重量[9].圖4中展示了核心電路配合控制器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出的閉環(huán)工作原理.

圖4的電路拓?fù)溥x擇單相全橋逆變電路，其輸出性能可滿足實(shí)際要求[10].全橋逆變器的輸入輸出關(guān)系[11]滿足：

Uo=0.707MUdc.

(1)

式中Uo為逆變器輸出電壓有效值，M為SPWM波的調(diào)制比.

本系統(tǒng)采用單極性SPWM波來驅(qū)動(dòng)全橋逆變電路，具體算法中采用程序編制簡單、數(shù)值更新速度快的查表法產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的SPWM波[12]，其載波頻率為15 kHz.根據(jù)載波與調(diào)制波的調(diào)制原理可知，在兩波形交點(diǎn)位置會(huì)產(chǎn)生單極性斬波信號的上升沿和下降沿，其極性與調(diào)制波的極性一致；交點(diǎn)位置由調(diào)制比M決定，M的變化可以調(diào)節(jié)SPWM波矩形脈沖的寬度[13].定義調(diào)制比M(0

(2)

式中Urm為調(diào)制波幅值，Ucm為三角載波幅值.

1)母線前級DC/DC電路采用圖4中光伏電源內(nèi)置升壓部分結(jié)構(gòu)，在電感中電流連續(xù)的情況下，輸出電壓Udc與輸入電壓UPV的關(guān)系[14]滿足：

(3)

式中D為占空比，Udc為Boost輸出電壓，UPV為光伏板輸出電壓.假設(shè)Udc的取值為恒定直流母線電壓，擾動(dòng)D促使UPV穩(wěn)定在光伏陣列最大功率點(diǎn)處的電壓值附近，從而實(shí)現(xiàn)對光伏板電池的最大功率跟蹤(MPPT).

2)對于母線后級光伏電源設(shè)備內(nèi)置的Boost電路，若忽略電路中的損耗，即電源能量僅由輸出端負(fù)載R消耗，根據(jù)電能守恒關(guān)系將電路等效簡化為圖5結(jié)構(gòu).假設(shè)Udbus為Boost電路的電源(即直流母線)電壓.

根據(jù)最大功率傳輸定律[15]，當(dāng)?shù)刃ж?fù)載阻抗與電源內(nèi)部阻抗共軛相等時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)電源側(cè)能量對負(fù)載側(cè)的最大功率輸出.輸出電阻Ro[16]為：

Ro=(1-D)2R.

(4)

調(diào)節(jié)圖中的占空比D可使等效輸出電阻Ro趨近直流母線端的電壓源(直流母線)內(nèi)阻R內(nèi)，此時(shí)電壓源對外輸出功率逼近最大值.若保持Udbus不變，改變占空比D能改變電壓源輸出電流I的大小，其關(guān)系可用式(5)表達(dá).當(dāng)該電源的輸出功率達(dá)到最大值時(shí)，電流I同時(shí)達(dá)到峰值.

(5)

由上述分析可知：對于圖1所示的離網(wǎng)光伏系統(tǒng)，由于直流母線式結(jié)構(gòu)恒壓的特點(diǎn)，可以通過分別調(diào)節(jié)母線兩邊的DC/DC的占空比D和逆變器調(diào)制比M來調(diào)整交流輸出電壓并完成全光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤[17].由于光照條件的不確定性會(huì)導(dǎo)致光伏電源的輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)，上述方法能維持輸出在設(shè)定閾值區(qū)間內(nèi).

表1 常用電器測試表Tab.1 The test of common appliances

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可行性，用制作的樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)物測試.單極性SPWM波形如圖6所示；系統(tǒng)測試如圖7所示；光伏電源的樣機(jī)如圖8所示；光伏電源聯(lián)接實(shí)物的效果如圖9所示；四種常用電器負(fù)載的測試結(jié)果如表1所示.

圖6 SPWM波形圖 圖7 系統(tǒng)測試圖 Fig.6 SPWM waveforms Fig.7 System testing

圖8 樣機(jī)圖 圖9 實(shí)物效果圖 Fig.8 The prototype Fig.9 The effect of linked appliances

在圖6中，從示波器圖像上可以觀察到一對互補(bǔ)導(dǎo)通的單極性SPWM波，波形規(guī)則且無尖刺.在圖7中，針對逆變電路、隔離驅(qū)動(dòng)電路等硬件模塊進(jìn)行了系統(tǒng)測試，通過圖7中的示波器可以觀察到逆變器的輸出電壓波形，其正弦曲線平滑無紋波，頻率穩(wěn)定在工頻50Hz.在圖8中，光伏電源的結(jié)構(gòu)簡易輕便，樣機(jī)各個(gè)模塊間的聯(lián)接緊湊.在圖9中，從實(shí)物測試的效果中可以看出，負(fù)載均能維持良好的運(yùn)行狀態(tài).在表1中，針對四種常用電器的測試結(jié)果表明，該電源樣機(jī)能為常用類型的電器負(fù)載提供可靠的電能.

從表1的實(shí)物測試結(jié)果和實(shí)物效果圖中可以得出：作品樣機(jī)的核心部分(電路部分)能夠?yàn)槌Ｓ脙刹孱^負(fù)載(如40 W的阻性白熾燈)提供持續(xù)穩(wěn)定的電能.搭配適當(dāng)?shù)慕涌谝部蓪τ谄渌孱^的電子設(shè)備(如65 W的顯示屏等)進(jìn)行正常供電.從圖9也可以看出：多個(gè)負(fù)載同時(shí)接入該設(shè)備樣機(jī)時(shí)，所有負(fù)載能夠在各自額定值附近安全穩(wěn)定的運(yùn)行.

5 結(jié)語

本文針對偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶的供電需求，設(shè)計(jì)制作了即插即用的光伏電源.文中基于該電源設(shè)計(jì)了多個(gè)單元結(jié)構(gòu)的大規(guī)模光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的具體功能、布局以及控制模式進(jìn)行了研究，提出了應(yīng)用于旅游景區(qū)建筑房間的光伏系統(tǒng)應(yīng)用模型.試驗(yàn)結(jié)果表明，多用途離網(wǎng)光伏電源設(shè)備在實(shí)物測試過程中性能達(dá)標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了光伏電源結(jié)構(gòu)輕量化和供電可靠性的優(yōu)化目的.在光照條件適宜時(shí)缺電地區(qū)的常用電器負(fù)載能通過本光伏電源系統(tǒng)高效地獲取安全穩(wěn)定的電能.本項(xiàng)研究成果有助于在電網(wǎng)無法完全覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)推廣建設(shè)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng).