光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中MPPT常用算法及控制策略

1、光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中MPPT常用算法及控制策略1.1 光伏陣列的電氣特性討論光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制策略，就必須首先要清楚光伏陣列的V-I，P-V特性，進(jìn)而提出合理的控制解決方案。1.1.1 光伏電池的等效模型        圖1 光伏電池的等效模型圖1是光伏電池(Solar Cell)等效模型。它由理想電流源Is、反向并聯(lián)二極管D、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh構(gòu)成。其中Is的值等于電池的短路電流，其大小反映了光伏電池所處環(huán)境的日照強度。日照越強，Is越大;反之越小。下式是光伏電池的I V特性關(guān)系方程。   

2、; 理想情況下Rs，可近似為零，Rsh近似為無窮大，則上式可簡化為式中,I為工作電流，Io為反向飽和電流，V為電池的輸出電壓，其余皆為常數(shù)。這樣，光伏電池的輸出功率為：這表明光伏電池的輸出功率是日照強度和溫度的非線性函數(shù)，但是和電流和電壓時一種比例關(guān)系。1.1.2 光伏電池特性1、光伏器件輸出特性為了更好的理解光伏電池的特性，根據(jù)上面的結(jié)論，光伏電池的非線性函數(shù)關(guān)系繪制出其在日照不同、結(jié)溫相同和日照相同、結(jié)溫不同情況下的光伏電池IV、PV特性曲線，如圖2、3所示。(1).電池結(jié)溫不變，日照變化:        &#

3、160;    圖2 光照強度不同情況下IV、PV特性曲線 圖2為光伏電池結(jié)溫不變、日照強度變化情況下的一組IV和PV特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論:光伏電池的短路電流隨光照強度增強而變大，兩者近似為比例關(guān)系;光伏電池的開路電壓在各種日照條件下變化不大；光伏電池的最大輸出功率隨光照強度增強而變大，且在同一日照環(huán)境下有唯一的最大輸出功率點。在最大功率點左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升呈近似線性上升趨勢;到達(dá)最大功率點后，輸出功率開始快速下降，且下降速度遠(yuǎn)大于上升速度；如圖2(a)所示：在虛線A的左側(cè)，光伏電池的特性近似為電流源，右側(cè)近似為電壓源。虛線A對應(yīng)

4、最大功率點時光伏電池的工作電流，約為電池短路電流的90%；如圖2(b)所示：結(jié)溫一定的情況下，光伏電池最大功率點對應(yīng)的輸出電壓值基本不變。該值約為開路電壓的76%。(2)電池結(jié)溫變化，日照不變圖3 光伏器件結(jié)溫變化情況下IV、PV特性曲線 圖3為光伏電池日照強度不變、結(jié)溫變化情況下的一組IV和PV特性曲線，從圖中可以得出以下結(jié)論:如圖3(a)所示：光伏電池的結(jié)溫對光伏電池的短路電流影響不大，隨著溫度的上升輸出短路電流只是略有增加；光伏電池的開路電壓隨電池結(jié)溫的上升而下降，且變化范圍較大；如圖3(b)所示:光伏電池輸出功率總的變化趨勢與不同日照條件下的功率變化相似。但相同日照情況下其最

5、大輸出功率隨電池溫度的上升而下降，且最大功率點對應(yīng)的工作電壓隨溫度上升而下降。綜上所述，光伏電池的輸出功率與它所受的日照強度、環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。在不同外部環(huán)境情況下，光伏電池的輸出功率會有較大的變化。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)必須采用相關(guān)電路和控制方法對輸出功率加以控制使其輸出最大功率。2、光伏器件不對稱特性對于前面給出的公式可以推導(dǎo)出功率對于電壓的變化關(guān)系，根據(jù)該式繪制光伏器件輸出電壓從零到開路電壓對應(yīng)的dP / dV變化曲線：     圖4 光伏器件dP/dV與輸出電壓關(guān)系 圖4中dP/dV過零點C為光伏器件的最大輸出功率點。由該曲線可以得到：光

6、伏器件從短路狀態(tài)到工作在最大功率點的區(qū)間內(nèi)dP/dV大小基本不變，特性類似于電流源；最大功率點右側(cè)光伏器件dP/dV隨光伏器件輸出電壓的升高而降低，且變?yōu)樨?fù)值。由此可推知：光伏器件在最大功率點兩側(cè)由同樣的電壓變化引起的功率變化是不同的。結(jié)合圖2和圖4可以得出:光伏器件短路時其輸出電流最大，工作電壓為零，光伏器件輸出功率相應(yīng)為零;在最大功率點左側(cè)雖然光伏器件輸出電壓不斷增加，但dP/dV基本不變，大小近似等于光伏器件的短路電流Is，光伏器件的輸出功率與輸出電壓成線性關(guān)系;當(dāng)光伏器件的輸出功率接近最大功率點時，dP/dV快速下降直到零，該過程中光伏器件的輸出功率隨輸出電壓上升而增加但速度變慢，當(dāng)d

7、P/dV=0時光伏器件工作在最大功率點;隨著光伏器件輸出電壓的進(jìn)一步增加，光伏器件工作在最大功率點右側(cè)，dP/dV變?yōu)樨?fù)值并快速下降，光伏器件輸出功率也從最大值快速下降。1.2 光伏電池最大功率點跟蹤控制方法光伏電池最大功率點的跟蹤算法比較典型的有：定電壓跟蹤法(CVT，Constant voltage Tracking)，擾動觀測法(P&O，Perturbation and observation method)，導(dǎo)納增量法(Incremental conductance method)，在此之上還有改進(jìn)的是：變步長導(dǎo)納增量法，基于模糊控制的MPPT方法，基于預(yù)測數(shù)據(jù)的MPPT方法，

8、基于差分方程解的MPPT方法。1.2.1 MPPT控制基本目標(biāo)與工作原理由于光伏器件的輸出功率隨外部環(huán)境變化而變化，因此光伏發(fā)電系統(tǒng)普遍采用MPPT電路和相應(yīng)的控制方法提高對光伏器件的利用效果。假定電池的結(jié)溫不變，光伏器件的特性曲線如圖5所示。圖5 MPPT工作原理示意圖圖中曲線I、H分別對應(yīng)不同日照情況下光伏器件的IV特性曲線，A、B分別為不同日照情況下光伏器件的最大輸出功率點，負(fù)載1、負(fù)載2為兩條負(fù)載曲線。當(dāng)光伏器件工作在A點時，日照突然加強，由于負(fù)載沒有改變，光伏器件的工作點轉(zhuǎn)移到A，點。從圖中可以看出，為了使光伏器件在特性曲線I仍能輸出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲線I上的B點，

9、也就是說必須對光伏器件的外部電路進(jìn)行控制使其負(fù)載特性變?yōu)樨?fù)載曲線2實現(xiàn)與光伏器件的功率匹配，從而使光伏器件輸出最大功率。1.2.2 定電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking，CVT)定電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking，CVT)是利用光伏器件輸出最大功率時工作電壓(MPPT)與開路電壓Vo存在近似的比例關(guān)系這一特性進(jìn)行控制的一種最大功率點跟蹤控制方法。該特性由圖2(b)光伏器件的PV特性曲線也可看出。定電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking，CVT)雖優(yōu)點：控制簡單，缺點：但其最大功率點電壓與Vo的比例關(guān)系是在電池結(jié)溫

10、不變的情況下推出的，而實際工作中Vo是隨溫度變化而變化的，在光伏陣列的功率輸出隨著溫度變化的情況下，如果仍然采用恒定電壓跟蹤(CVT)控制策略，陣列的輸出功率將會偏離最大功率輸出點，產(chǎn)生較大的功率損失。特別在有些情況，太陽能電池的結(jié)溫升高比較明顯，導(dǎo)致陣列的伏安曲線與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的工作電壓可能不存在交點，引起系統(tǒng)振蕩。對于那些季節(jié)或晨午溫差比較大的地區(qū)，溫度對整個光伏陣列的輸出將會產(chǎn)生比較大的影響，如果仍然采用CVT控制策略就只能通過降低系統(tǒng)的效率來保證其穩(wěn)定性。如圖3(b)所示。不同廠家的產(chǎn)品由于所用晶硅材料的差異會造成最大功率點電壓與Vo的比例關(guān)系有所不同，因而導(dǎo)致控制精度下降。實驗表明：

11、固定電壓法在相同測試條件下，光伏器件的輸出功率至多為理論最大輸出功率的88%，低于其它最大功率點控制方法。雖然該方法控制精度低，但是因其原理簡單、易于實現(xiàn)，通常用于功率較小、日照情況穩(wěn)定的工作場合。1.2.3 擾動觀察法(P&O，Perturbation and observation method)上式是光伏器件在最大功率點兩側(cè)dP/dV的特性表達(dá)式。式中dP、dV分別代表相鄰兩個采樣周期光伏器件的輸出功率和輸出電壓的變化。擾動觀察法(P&O，Perturbation and observation method)就是利用光伏器件這一特性進(jìn)行最大功率點跟蹤控制的。該方法通過不

12、斷調(diào)節(jié)光伏器件MPPT電路的工作狀態(tài)來比較電路調(diào)整前后光伏器件輸出功率和輸出電壓的變化情況，再根據(jù)變化情況調(diào)整MPPT電路的工作，最后使光伏器件工作在最大功率點附近，圖6為該方法的控制流程圖，光伏系統(tǒng)控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出，方向可以是增加也可以是減小，控制對象為光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”；然后，通過比較該干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程；如果檢測到輸出功率減小，則改變“干擾”的方向。這樣，光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。如果采用較大的步長

13、進(jìn)行“干擾”，這種跟蹤算法可以獲得較快的跟蹤速度，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的精度相對較差，較小的步長則正好相反。較好的折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的工作點選擇合適的步長，例如，當(dāng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點附近時采用小步長。                   圖6 擾動觀察法工作原理圖對干擾觀測法的優(yōu)點總結(jié)如下：(1).模塊化控制回路；(2).跟蹤方法簡單，實現(xiàn)容易；(3).對傳感器精度要求不高。缺點為：(1).在光伏陣列最大

14、功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致一定功率損失；(2).跟蹤步長的設(shè)定無法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度；(3).在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。1.2.4 電導(dǎo)增量法增加電導(dǎo)法也是常用的一種MPPT控制方法，是對擾動觀察法的改進(jìn)。其控制思想與擾動觀察法類似，也是利用dP/dv的方向進(jìn)行最大功率點跟蹤控制，只是光伏器件工作在最大功率點時控制有所不同。由最大功率點處的光伏器件特性dP/dV，可推導(dǎo)公式:即：則可以由來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。當(dāng) ，增加陣列的參考工作電壓Vref；當(dāng) ，減小陣列的參考工作電壓Vref；當(dāng) ，陣列的參考工作電壓Vref不變。上式即為要達(dá)到最大功率點的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化率等于輸出電導(dǎo)

15、的負(fù)值時，陣列工作于最大功率點。這種跟蹤方法的優(yōu)點是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，能夠快速跟蹤其變化，并且陣列電壓擺動較擾動觀察法??；缺點是算法較復(fù)雜，并且在用數(shù)字方法實現(xiàn)時，對最大功率點的判斷容易出現(xiàn)誤差。其常用的算法程序流程圖見圖7所示。圖7 電導(dǎo)增量法的示意圖1.2.5 一個MPPT的簡單系統(tǒng)模型給出一個簡單的MPPT控制模型，如下圖所示，MPPT控制模型不斷地給陣列輸出電壓的脈寬以增量( )。設(shè)測得陣列當(dāng)前的輸出功率為 ， 被存儲的前一時刻的記憶功率為 , 若通過乘法器測得有： > , 則取 后再測、再比、再修改脈寬；反之, 若測得有: < 則取 后再測、再比、再修改脈寬。如此可實

16、時搜索到陣列的最大輸出功率點并動態(tài)地保持它。在進(jìn)行尋優(yōu)搜索的程序流程(略) 中引入了一個參考電壓Uref, 是為了讓U d 不斷地跟蹤它, 在尋優(yōu)過程中不斷地更新Uref使它逐漸逼近相應(yīng)于陣列最大功率點的電壓Um ,U jj為前兩次的陣列電壓采樣值。由于陣列特性的I = f (U ) 關(guān)系是一個單值函數(shù), 因此只要保證陣列的輸出電壓在任何太陽輻照度及溫度下都能實時地保持為與該太陽輻照度及溫度相應(yīng)的Um 值, 就一定可以保證陣列在任何瞬間都輸出其最大功率。 1.3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本系統(tǒng)模型以及控制模型在本節(jié)中，給出一種光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的最基本的系統(tǒng)模型以及控制模型，該模型來自科技部“十五

17、”科技攻關(guān)項目“大型光伏并網(wǎng)電站”采用的系統(tǒng)。合肥工大能源研究所以此系統(tǒng)模型設(shè)計研制了一臺20kW 光伏并網(wǎng)逆變器，可以作為我們的參考。1.3.1 系統(tǒng)基本模型該光伏并網(wǎng)逆變器主電路采用電壓型逆變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖8所示。圖8主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)采用三相橋的電路結(jié)構(gòu)，逆變電壓通過電感與電網(wǎng)相連，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行模式下，系統(tǒng)的控制目標(biāo)是使逆變器輸出之正弦波電流的頻率和相位與電網(wǎng)電壓的頻率和相位相同，電流的大小由光伏陣列輸出的功率決定。由該電路給出該電路的系統(tǒng)模型，如圖9所示。         &

18、#160;     圖9 系統(tǒng)控制模型1.3.2 系統(tǒng)控制策略由圖9所示，反饋的電流將通過電容C進(jìn)入MPPT控制，那么反饋的直流方程應(yīng)該為：其中 為比較電流， ， ， 為上橋臂的開關(guān)狀態(tài)(和徐姐SVPWM的介紹定義一致)，而 為三相匯流的電流，分別和a, b, c三路的開關(guān)狀態(tài)有關(guān)。為了分析方便，在這里我忽略對于PWM高次諧波的討論，根據(jù)文獻(xiàn)，可以將開關(guān)函數(shù)， ， ，看成是角頻率為 ，相角為 ，幅值為 的正弦函數(shù)，如果只考慮開關(guān)函數(shù)的基波分量， ， ，則有，   考慮到電網(wǎng)相電壓與電網(wǎng)相電流的夾角 ，  

19、                                                    

20、60;            當(dāng)只考慮開關(guān)函數(shù)的基波分量時，則有            = 即和系統(tǒng)框圖中的 相對應(yīng)。取并網(wǎng)電流為狀態(tài)變量，對于a 相電流有                   式中，

21、 為線路內(nèi)阻。對方程做拉式變換，其中 為系統(tǒng)的濾波器傳遞函數(shù)。忽略功率器件的非線性影響，SPWM 控制方式下的橋式逆變環(huán)節(jié)可視為一個高增益的小慣性環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為電流環(huán)一般采用PI 控制方式，可以得出并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的PI 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示。對控制系統(tǒng)而言，Ua 為電網(wǎng)電壓，可視為系統(tǒng)的擾動輸入，I*為電流指令值。               圖10 電流環(huán)的PI控制由圖10 可知，擾動Ua 對于系統(tǒng)的輸出Ia 的影響為，式中 是系統(tǒng)的開環(huán)

22、傳遞函數(shù)，擾動Ua 作用下的誤差為從控制原理來看，這里的前饋補償實際上是采用開環(huán)控制方式去補償可測量的擾動信號，因此前饋補償不會改變控制系統(tǒng)的特性；從抑制擾動的角度來看，前饋控制可以減輕反饋控制的負(fù)擔(dān)，反饋控制系統(tǒng)的增益可以取得小一些，這利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。前饋補償后的控制系統(tǒng)如圖5 所示，此時，擾動作用下的誤差為                若令 ，則 ，那么從理論上達(dá)到了全補償?shù)囊蟆Ｈ鐖D11所示，就給出了帶前饋補償?shù)目刂葡到y(tǒng)，也就是圖9總系

23、統(tǒng)模型的PI控制的原理，這樣我們就簡單的對于逆變器的系統(tǒng)控制策略有了認(rèn)識。        圖11 帶前饋補償?shù)目刂葡到y(tǒng)1.4 合肥陽光光伏逆變電源產(chǎn)品的控制技術(shù)介紹1.4.1 逆變器工作模式以50K3產(chǎn)品為例，合肥陽光的產(chǎn)品一般包括“啟動中”，“運行”，“故障”，“緊急停機”，“按鍵關(guān)機”，“待機”等幾個狀態(tài)。如圖12所示，l        啟動中：此模式是指初次安裝完畢，直流輸入和交流輸出端子均正常連接，所有斷路器均閉合，上電準(zhǔn)備并網(wǎng)發(fā)電。此模式僅在初次

24、啟動時出現(xiàn)。l        運行：在此模式下，逆變器正常工作，將光伏陣列的直流電變?yōu)榻涣麟姴⑷腚娋W(wǎng)。l        故障當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，逆變器會停止運行并進(jìn)入故障狀態(tài)，故障原因會顯示在觸摸屏上供用戶查看。系統(tǒng)此時持續(xù)監(jiān)測故障是否清除，如果故障未消除，則保持待機狀態(tài)；如果故障清除，且其他運行條件均滿足，5分鐘以后重新并網(wǎng)發(fā)電。在此期間，若認(rèn)為敢于通過液晶操作開機，則必須通過液晶先確認(rèn)關(guān)機清除保護(hù)程序，再開機。l   

25、;     緊急停機所謂緊急停機模式是指人為的通過按下緊急停機開關(guān)或?qū)⑼Ｐo指向“STOP”位置來控制逆變器關(guān)機。若在緊急停機后，需要再次開機。必須先彈開緊急停機按鈕，確認(rèn)啟停開關(guān)指向“START”位置，再通過液晶先執(zhí)行關(guān)機命令來清除緊急停機保護(hù)程序，再通過液晶開機，機器才能正常工作。若沒有關(guān)機確認(rèn)清楚緊急停機保護(hù)程序，直接按開機，機器沒有反應(yīng)屬正常情況。l        按鍵關(guān)機所謂按鍵關(guān)機模式是指人為的通過觸摸屏發(fā)出關(guān)機命令來控制逆變器關(guān)機。l   

26、     待機在運行后，如果直流側(cè)電流很小并保持3分鐘后，逆變器從運行轉(zhuǎn)為待機狀態(tài)，封鎖PWM信號輸出。在待機模式下逆變器不斷檢測光伏陣列是否有足夠的能量，當(dāng)達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電條件是逆變器從待機模式轉(zhuǎn)入運行模式。圖12 工作模式的有限狀態(tài)機轉(zhuǎn)換1.4.2 通信控制方式及數(shù)據(jù)采集功能合肥陽光的逆變器一般采用3種通信方案，即：數(shù)據(jù)采集器通過RS485監(jiān)控，PC機通過RS485監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集器和PC機通過RS485監(jiān)控。如圖13，14，15所示。圖13數(shù)據(jù)采集器通過RS485監(jiān)控圖14 PC機通過RS485監(jiān)控圖15數(shù)據(jù)采集器和PC機通過RS485監(jiān)控由上面的通訊方

27、案可以看出，數(shù)據(jù)采集控制器可以控制多個逆變器也可以控制單個逆變器。采集器具有以下的特性：1.      遠(yuǎn)程控制與檢測；2.      通過RS485，RS232或以太網(wǎng)和上位機通訊；3.      內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲器；4.      數(shù)據(jù)采集與存儲方便；其主要的功能包括：1. 匯總信息與設(shè)備通訊：電站發(fā)電總量，二氧化碳減排量，天發(fā)電量，輸出總功率，以及電站中逆變器的總臺數(shù)。所有顯示的數(shù)據(jù)均為數(shù)據(jù)采集

28、器采集到的所有逆變器的相關(guān)數(shù)據(jù)匯總而成。2.設(shè)備狀態(tài)：包括設(shè)備總臺數(shù)，以及各別設(shè)備的地址。3.故障目錄：可以查詢到相應(yīng)的逆變器最近故障的20條記錄，包括發(fā)生的類型和時間(直流過壓，直流欠壓，直流過流，交流過壓，交流欠壓，頻率異常，孤島效應(yīng)，溫度異常，DPS異常，接地異常，模塊異常)。4日期時間，密碼設(shè)置，恢復(fù)出廠值等功能。 合肥陽光同樣提供了軟件監(jiān)測的解決方案：1.SunInfo Insight 單機/多機版監(jiān)控顯示軟件：性能特點：·系統(tǒng)詳細(xì)運行參數(shù)·故障計錄及報警·具有電量累計功能，系統(tǒng)分析功能，歷史記錄功能·簡單易用的參數(shù)設(shè)置功能技術(shù)參數(shù)：

29、·電站監(jiān)控信息： 逆變器列表，當(dāng)日總發(fā)電量，歷史總發(fā)電量，當(dāng)前總功率·設(shè)備監(jiān)控信息(單臺)：交流電壓，交流電流，直流電壓，直流電流，設(shè)備溫度，當(dāng)天發(fā)電量，總發(fā)電量，故障信息，交流頻率，功率因數(shù)，交流功率，當(dāng)日功率曲線圖和當(dāng)月發(fā)電量柱狀圖·電網(wǎng)信息：電網(wǎng)電壓 ，電網(wǎng)頻率·故障告警及歷史故障報告：和硬件實現(xiàn)的功能類似2.SunInfo Bank 光伏電站實時數(shù)據(jù)在線監(jiān)控網(wǎng)站其功能和SunInfo Insight基本相似，不再贅述。 備注：關(guān)于對無變壓器設(shè)計的趨向的查閱無變壓器設(shè)計的最大優(yōu)勢在于其效率高，減小設(shè)備布線數(shù)量，可以大幅降低成本。它的使用范

30、圍為單個逆變器100KW以下的場合中使用。但是也有一定的缺點例如共模干擾，還有以下其他的問題(援引論文原文)1、人員安全隱患：太陽能電池板一端不能夠做接地保護(hù)，操作安全隱患很大；2、設(shè)備安全隱患：直流電可能竄入交流電網(wǎng)，交流電也可能竄入太陽能電池板；  3、太陽能電池板的對地電容無法釋放，存在隱患。 一個讓人來使用的工業(yè)產(chǎn)品，從來都不是效率第一，而應(yīng)該是安全第一。這就是為什么全球各國在逐步禁止無隔離變壓器的產(chǎn)品在并網(wǎng)原因。 在當(dāng)前器件材料沒有重大突破情況下，當(dāng)標(biāo)示的光伏并網(wǎng)逆變電源效率高達(dá)97%98%時，一定是以下兩種情況：1、輸入與輸出沒有電氣隔離裝置；2、在計

31、算效率時，把輸出到電網(wǎng)的無功功率也計入分子，從而得到的數(shù)值很高。國內(nèi)高品質(zhì)電源企業(yè)大多都在通信行業(yè)。做通信行業(yè)電源的企業(yè)，一旦做光伏并網(wǎng)逆變電源，絕大多數(shù)都會選擇高頻隔離變壓器的技術(shù)方案，因為，這是電源的發(fā)展趨勢。ARM的太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)功率研究摘要:設(shè)計了基于ARMLPC2131的驅(qū)動系統(tǒng)，自動跟蹤太陽光直射方向來提高光伏電池的效率，并采用了改進(jìn)的步進(jìn)式擾動觀察算法來尋找太陽電池陣列的最大功率點，使系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能獲得太陽電池的最大功率。實踐證明，該系統(tǒng)精確地跟蹤了各種情況下的太陽光變化，并將光伏電池的實際轉(zhuǎn)換率提高到30以上。引言目前，我國國內(nèi)太陽能自動跟蹤器主要有：壓差式

32、太陽能跟蹤器，控放式太陽跟蹤，時鐘式太陽跟蹤器，比較控制式太陽跟蹤器。純機械式的跟蹤器和時鐘式的機電跟蹤器精度偏低，本系統(tǒng)采用了精度相對較高的光敏電阻控制的雙軸太陽跟蹤器的控制方式使光伏電池始終朝向太陽;在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實現(xiàn)日循環(huán)運行。太陽能發(fā)電控制系統(tǒng)傳感器結(jié)構(gòu)該跟蹤器的傳感器結(jié)構(gòu)見圖1。設(shè)置一個圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個方向上分別布置4 只光敏電阻;其中P1、P3 東西對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;P2、P4 南北對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角;在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置

33、4 只光敏電阻，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉(zhuǎn)角度和太陽的視高度。圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器跟蹤器的結(jié)構(gòu)見圖2。步進(jìn)電機1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對于底座可以轉(zhuǎn)動)，轉(zhuǎn)動架以及支架固定安裝在主軸上，光伏電池、步進(jìn)電機2 安裝在支架上面(光伏電池相對于支架可以轉(zhuǎn)動)，步進(jìn)電機2 的輸出軸連接在光伏電池上。圖2 立柱轉(zhuǎn)動式跟蹤器示意圖當(dāng)光線發(fā)生偏移，控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動步進(jìn)電機 1 帶動轉(zhuǎn)動架以及固定在轉(zhuǎn)動架上的主軸、支架以及光伏電池轉(zhuǎn)動;同時控制信號驅(qū)動步進(jìn)電機2 帶動光伏電池相對與支架轉(zhuǎn)動，通過步進(jìn)電機1、步進(jìn)電機2 的共同工作實現(xiàn)對太陽方位角和

34、高度角的跟蹤2。MPPT控制器光伏電池的輸出功率與它的工作電壓有關(guān)(U-P曲線一般呈先上升后下降的光滑曲線，中間的某個電壓值取得最大功率)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。如：在日照強度為1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可見30V的電壓下輸出功率更大。MPPT(最大功率點跟蹤)控制器主要功能是:檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽電池陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤 3。圖 3為實際應(yīng)用擾動與觀察法來實現(xiàn)最大功率點追蹤的示意圖。圖3 MPPT控制實現(xiàn)示意圖擾動電阻 R 和MOSFET 串連在

35、一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動4。同時，光伏電池的輸出電流和輸出電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當(dāng)擾動方向正確時太陽能光電板輸出功率增加，下一周期繼續(xù)朝同一方向擾動，反之，當(dāng)太陽能光電板輸出功率減少時，表示擾動方向錯誤，下一周期朝反向擾動，如此反復(fù)進(jìn)行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達(dá)最大功率點。系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)的主控制電路在整個設(shè)計中占有重要地位，它主要對主回路進(jìn)行控制，保證 MPPT 算法有效實現(xiàn)，使 DC/DC 變換保持恒壓輸出，且與 LCD 的人機接

36、口通信。它還在對蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。首先它對光伏電池功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了光伏電池能量的浪費。其次，主控制器控制的恒壓電流也使設(shè)計恒壓充電的充放電電路變的容易。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖驅(qū)動電路光敏電阻采用的型號為GM5516,亮電阻：5-10 K ，暗電阻：200K 以上。系統(tǒng)通過對4對8路(R1對應(yīng)圖1中的P1,R2對應(yīng)圖1中的P3，R3-R8同理)光敏電阻即時進(jìn)行A/D采集，將所采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，判斷方位角和俯仰角的變化，并通過I/O(OUT1-OUT8)給步進(jìn)電機1個正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖， 控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)

37、向正確的方向，然后繼續(xù)進(jìn)行A/D采集和控制，直到信號差在一定范圍之內(nèi)，此時光伏電池正對太陽。電路示于圖5和圖6。圖5 光敏電阻采集電路圖6 步進(jìn)電機驅(qū)動電路步進(jìn)電機57BYG007，GSP-24RW-046，皆為四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高電平，ULN2803(步進(jìn)電機驅(qū)動芯片，集電極輸出)的1腳到4腳依次為高電平，這樣就給步進(jìn)電機1(57BYG007)正轉(zhuǎn)一步的脈沖信號，步進(jìn)電機正轉(zhuǎn)1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高電平，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)1.8度，GSP-24RW-046驅(qū)動原理與之相同。DC/DC、MPPT電路系統(tǒng)所采用光伏電池正常工作電壓10-14V，工作電流1A左右，所采用的蓄電池為12V-7AH，由于 12V的蓄電池一般需要13-15V的電壓為之充電，而光伏電池如果不經(jīng)過DC/DC處理，無法保證為蓄電池穩(wěn)壓充電。因此通過BOOST升壓電路將光伏電池電壓升高20V(大功率步進(jìn)電機需要較大電壓，此處可以為將來系統(tǒng)升級做準(zhǔn)備)，然后降壓到14V為蓄電池穩(wěn)壓充電5，電路圖如圖7所示。圖7 DC/DC及MPPT電路圖7電路左端為光伏電池，右端輸出電壓為Uo(圖7的Uo為圖8的Uin)，我們需要得到右端Uo=20