徐東東 張海寧 劉衛(wèi)亮 王印松 吳延群

1．華北電力大學(xué)自動(dòng)化系 河北 保定 071003

2．青海省光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青海 西寧 810008

0 引言

近年來(lái)，煤、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源日趨緊張，新能源的開(kāi)發(fā)利用受到了越來(lái)越多的關(guān)注。作為新能源利用的主要形式之一，太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有無(wú)污染、運(yùn)行方式靈活、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)于大電網(wǎng)難以覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)或者有大電網(wǎng)覆蓋的特殊場(chǎng)合的供電問(wèn)題具有重要意義［1-3］。隨著國(guó)家綠色能源戰(zhàn)略的加快實(shí)施，光伏發(fā)電技術(shù)的研究工作和人才培養(yǎng)顯得尤為緊迫。光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是開(kāi)展光伏發(fā)電技術(shù)的研究與教學(xué)工作的載體，限于資金及場(chǎng)地限制，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)院校進(jìn)行了平臺(tái)的搭建［4-8］。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套小型光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括硬件裝置部分和軟件部分。首先簡(jiǎn)要介紹光伏發(fā)電技術(shù)的原理，然后論述硬件裝置部分和軟件部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并通過(guò)應(yīng)用實(shí)例對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的功能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 光伏發(fā)電原理

光伏電池發(fā)電的原理是光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到電池上時(shí)，其PN結(jié)兩端會(huì)有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。光伏電池的等效電路如下圖1所示：

圖1 光伏電池等效電路

圖中，ILG為光電池電流源，I為太陽(yáng)能電池輸出電流，Id為二極管工作電流，Ish為漏電流，Rs和Rsh分別為光伏電池的等效串聯(lián)阻抗和并聯(lián)阻抗。由圖1中的等效電路圖可得出光伏電池的U-I特性為：

式中：U為光伏電池輸出電壓；T為電池溫度；q為電子電量；A為理想因子，一般1＜=A＜=2；K為波爾茨曼常數(shù)。當(dāng)負(fù)載從零變化到無(wú)窮大時(shí)，即可得到如圖2所示的光伏電池的I-U、P-U特性曲線(xiàn)。可見(jiàn)光伏電池輸出電流與輸出電壓呈現(xiàn)反比的關(guān)系，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻到某一值Rm，在曲線(xiàn)上得到一點(diǎn)M，其對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流之積最大，即Pm=Um×Im，此M點(diǎn)即為最大功率輸出點(diǎn)（MPP）。

圖2 光伏電池特性曲線(xiàn)

2 平臺(tái)的硬件裝置

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)輸出是否并入電網(wǎng)，可分為獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。本文實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要研究獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率跟蹤控制以及逆變控制，所設(shè)計(jì)的硬件裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其中逆變器的設(shè)計(jì)主要參數(shù)要求如表1所示。該硬件裝置主要由七個(gè)部分組成：微控制器、DC／DC變換器、逆變橋、濾波器、負(fù)載、控制回路、人機(jī)交互部分、監(jiān)控顯示部分。其中人機(jī)交互部分包括鍵盤(pán)、LED指示燈、蜂鳴器、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)、液晶顯示器及RS232通信接口。

圖3 硬件裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

表1 逆變器主要參數(shù)要求

2.1 微控制器選型

考慮到最大功率跟蹤過(guò)程以及逆變過(guò)程的對(duì)控制芯片的實(shí)時(shí)性要求較高，采用飛思卡爾公司HCS12X系列16位單片機(jī)MC9S12XS128MAA作為控制芯片，其主要特點(diǎn)是總線(xiàn)頻率高達(dá)40MHz，運(yùn)算速度快，片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較大，外設(shè)豐富。逆變器工作過(guò)程中涉及的電壓電流模擬量通過(guò)電壓電流傳感器采樣后，送入MC9S12XS128MAA單片機(jī)的AD端口，單片機(jī)根據(jù)軟件程序控制PWM端口產(chǎn)生PWM波，由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)BOOST電路和逆變電路的開(kāi)關(guān)管，從而控制逆變器的工作狀態(tài)。

2.2 DC／DC變換器電路設(shè)計(jì)

DC／DC變換器選用開(kāi)關(guān)電源中的BOOST電路。電路設(shè)計(jì)中的主要工作是對(duì)功率管Q1和輸出儲(chǔ)能電感L1的選擇。本文選用MOSFET作為BOOST電路的功率開(kāi)關(guān)管，為了保證器件安全可靠工作，在留有一定裕量的前提下，參考器件的電壓、電流額定值進(jìn)行具體型號(hào)的選取。對(duì)本裝置而言，由于其與光伏電池板直接配接，設(shè)定輸入電壓范圍為15～30V，取三倍電壓裕量，MOSFET額定電壓應(yīng)該在90V以上，故MOSFET可選用IRFS4321，其額定電壓為150V，電流最大可達(dá)83A，滿(mǎn)足功率要求，且具有較小的通態(tài)電阻，為15mΩ。綜合考慮輸出電流的紋波、開(kāi)關(guān)頻率等因素，最終選取儲(chǔ)能電感L1為330uH。

由于單片機(jī)脈寬調(diào)制模塊驅(qū)動(dòng)能力有限，不能保證功率開(kāi)關(guān)管的可靠觸發(fā)，為此本文采用MICROCHIP公司生產(chǎn)的MCP14E14作為MOSFET的驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片是一款雙路高速功率管驅(qū)動(dòng)芯片，峰值輸出電流高達(dá)4A，同時(shí)具有寬電壓范圍、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、速度快等優(yōu)點(diǎn)，圖4為驅(qū)動(dòng)電路原理圖。

圖4 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 逆變橋電路設(shè)計(jì)

利用四片N溝道的MOSFET構(gòu)成逆變橋，型號(hào)為IRF540N，其漏源擊穿電壓為100V，最大漏極電流為33A，導(dǎo)通電阻為44 mΩ。采用74HC00結(jié)合IR2104驅(qū)動(dòng)芯片做為逆變橋MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，如圖5所示。

圖5 逆變器逆變橋開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

74HC00芯片包含四組二輸入與非門(mén)電路，DIR1和DIR2信號(hào)分別為單片機(jī)IO口輸出的高低電平信號(hào)，SPWM信號(hào)為單片機(jī)脈寬調(diào)制端口輸出的正弦PWM調(diào)制信號(hào)。MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)部分邏輯表如表2所示。

表2 MOSFET驅(qū)動(dòng)信號(hào)邏輯表

2.4 檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

硬件裝置共有6路模擬量信號(hào)，分別為光伏電池結(jié)溫T、光伏電池輸出電壓Vpv、輸出電流Ipv，BOOST電路輸出電壓Vboost、輸出電流Iboost和逆變輸出電壓Vgrid。其中Vgrid為交流電壓，另外5路均為直流信號(hào)。電流傳感器采用型號(hào)為ACS712ELCTR-05B-T的霍爾線(xiàn)性電流傳感器，具有185mV／A的輸出靈敏度，可測(cè)電流范圍-5～+5A。圖6為該電流傳感器的示意圖。

圖中IP+、IP-為電流信號(hào)輸入端子，Vout端為測(cè)量電流輸出信號(hào)管腳，輸出電壓與被測(cè)電流的關(guān)系為Vout=2.5V±△I*0.185V（△I為被測(cè)電流）。為了提高電流傳感器的靈敏度，減小相對(duì)誤差，設(shè)計(jì)了如圖7所示的信號(hào)調(diào)理電路。經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后電流測(cè)量電路靈敏度提高為925mV／A。系統(tǒng)中采用的運(yùn)放為MCP6022芯片。

圖7 光伏電池輸出電流信號(hào)調(diào)理電路

根據(jù)運(yùn)放的“虛短”“虛斷”及可得光伏電池輸出電流的電壓信號(hào)Ipv：

目前，交流電壓傳感器大多量程較大且成本較高，本系統(tǒng)由于逆變輸出電流較小，為了提高測(cè)量精度、減小相對(duì)誤差、降低成本，本系統(tǒng)逆變輸出交流電壓利用運(yùn)算放大器電路測(cè)量，圖8為測(cè)量電路原理圖。

圖8 逆變電壓測(cè)量電路

根據(jù)運(yùn)放的“虛短”“虛斷”可得：

代入數(shù)值得：

因此，設(shè)計(jì)逆變橋輸出電壓范圍為-40～40V時(shí)，Vgrid的范圍為 0.5～4.5V。

3 軟件設(shè)計(jì)

硬件裝置的工作模式可分為3種，分別是啟動(dòng)模式、運(yùn)行模式和故障模式。

啟動(dòng)模式下：系統(tǒng)初始化完成后，硬件裝置進(jìn)行啟動(dòng)條件檢測(cè)，若光伏電池電壓、系統(tǒng)電路初始狀態(tài)參數(shù)等均符合啟動(dòng)條件，硬件裝置與上位機(jī)進(jìn)行通訊，正常通訊后，由監(jiān)控軟件控制進(jìn)入運(yùn)行模式。

運(yùn)行模式下：硬件裝置根據(jù)監(jiān)控軟件下達(dá)的指令完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和算法運(yùn)算，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)回上位機(jī)。故障模式主要用來(lái)保證系統(tǒng)工作在正常穩(wěn)定狀態(tài)下，如有光伏電池欠壓、直流升壓斬波電路輸出電壓過(guò)壓、逆變電流輸出過(guò)大等任一情況下，系統(tǒng)進(jìn)入故障模式。

軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分，一是硬件裝置中的MPPT控制、逆變控制等實(shí)驗(yàn)算法的設(shè)計(jì)，另一部分是上位機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。

3.1 光伏發(fā)電實(shí)驗(yàn)算法設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Freescale公司的MC9S12XS128MAA芯片作為主控制器，使用CodeWarror軟件編程和調(diào)試。

3.1.1 功率特性實(shí)驗(yàn)程序設(shè)計(jì)

功率特性實(shí)驗(yàn)的目的是獲取不同光照強(qiáng)度與電池板溫度下的P-U曲線(xiàn)與U-I曲線(xiàn)。設(shè)計(jì)思路為：在［0，1］范圍內(nèi)不斷地對(duì) DC／DC 變換器功率管Q1的PWM占空比進(jìn)行順次擾動(dòng)，相當(dāng)于逐漸地改變光伏電池板的等效負(fù)載，從而影響其輸出電壓與輸出功率，記錄下相應(yīng)P-U與U-I數(shù)據(jù)便可進(jìn)行特性曲線(xiàn)的繪制。

3.1.2 最大功率跟蹤控制程序設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)置中設(shè)計(jì)了3種MPPT控制算法可供選擇，分別是定電壓控制法、擾動(dòng)觀(guān)察法、電導(dǎo)增量法，可通過(guò)監(jiān)控軟件向硬件裝置發(fā)送不同的指令要求選擇不同的MPPT控制算法進(jìn)行MPPT控制實(shí)驗(yàn)，并設(shè)定算法的參數(shù)如定電壓、擾動(dòng)步長(zhǎng)等。

3.1.3 逆變控制程序設(shè)計(jì)

逆變系統(tǒng)包含前級(jí)BOOST升壓控制和后級(jí)逆變控制兩部分。BOOST升壓控制的目的是實(shí)現(xiàn)前級(jí)電壓的穩(wěn)定，后級(jí)逆變控制的目的是使得輸出電壓為工頻正弦波，兩級(jí)控制均采用PI控制算法。圖9為BOOST升壓控制和逆變控制流程圖。

圖9 BOOST升壓控制與逆變控制流程圖

設(shè)定逆變器輸出電壓峰峰值為50V，頻率為50Hz，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，得出逆變器實(shí)際輸出電壓峰峰值為 48.6V，頻率為 50.04Hz，電壓峰峰值誤差為-0.4V，頻率誤差為0.04Hz，均在可接受范圍內(nèi)。根據(jù)硬件裝置返回的逆變數(shù)據(jù)得到的逆變曲線(xiàn)如圖10所示。

圖10 逆變實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1.4 拓展實(shí)驗(yàn)

蓄電池充放電控制實(shí)驗(yàn)

蓄電池組是光伏電池的主要儲(chǔ)能裝置，日照良好的天氣可儲(chǔ)存多余的能量，在夜間或陰雨天氣時(shí)刻對(duì)負(fù)載供電。蓄電池的過(guò)量充電或過(guò)量放電對(duì)蓄電池的性能會(huì)造成不良影響，故需進(jìn)行合理控制。在硬件裝置的基礎(chǔ)上稍做改動(dòng)可并入蓄電池組，從而支持蓄電池充放電試驗(yàn)。

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制與逆變控制實(shí)驗(yàn)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為主流的智能控制方法，在光伏最大功率跟蹤控制與逆變控制中得到了日益廣泛應(yīng)用。常規(guī)微處理器的運(yùn)算有限，難以滿(mǎn)足神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的運(yùn)算需求，因此，可采用FPGA作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用運(yùn)算器，與本硬件裝置連接，從而完成基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MPPT控制與逆變控制實(shí)驗(yàn)。

3.2 監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

基于以上硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了光伏發(fā)電小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件基于Microsoft visual studio 2010平臺(tái)的C#編程語(yǔ)言，并采用Winform實(shí)現(xiàn)。其主要功能為負(fù)責(zé)接收處理小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)各個(gè)測(cè)控節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和曲線(xiàn)顯示，并下發(fā)控制指令。監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)圖如11所示：

上位機(jī)監(jiān)控軟件具有簡(jiǎn)潔直觀(guān)，人機(jī)交互友好等特點(diǎn)，與硬件裝置配合，可以靈活地調(diào)控實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并直觀(guān)的展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖12為光伏電池特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)，圖13為最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)。

圖11 監(jiān)控軟件功能結(jié)構(gòu)

圖12 光伏電池特性實(shí)驗(yàn)過(guò)程曲線(xiàn)

圖13 最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套軟硬件兼?zhèn)涞牡碗妷汗夥l(fā)電小型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了光伏發(fā)電的原理，然后分別從硬件裝置部分和軟件部分對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。硬件裝置部分從微處理器的選型、采樣電路的設(shè)計(jì)、逆變橋的搭建等方面進(jìn)行了闡述，軟件部分主要介紹了最大功率跟蹤程序和逆變程序的設(shè)計(jì)，以及軟件監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)，同時(shí)介紹了本實(shí)驗(yàn)裝置可能進(jìn)行的拓展實(shí)驗(yàn)。實(shí)際應(yīng)用表明，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能完成太陽(yáng)能電池特性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、最大功率跟蹤實(shí)驗(yàn)、逆變實(shí)驗(yàn)等多個(gè)實(shí)驗(yàn)，并具有良好的可拓展性，對(duì)于光伏發(fā)電技術(shù)的研究與教學(xué)工作具有重要的意義。

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