家用光伏发电系统的设计与MPPT控制

张昌华

(湖北民族学院 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

图1 家用光伏发电系统原理图

太阳能作为一种理想的清洁能源，其应用越来越被人们所重视，大型光伏发电厂的不断建立就是一个很好的证明.然而，中国电力的短缺问题并没有因为大型电站的不断建立得到根本性改变，因此，推广小型家用光伏发电系统无疑是解决这一问题的有效途径之一.基于这一背景，本文以家庭用电特点为基础，设计了一种小型光伏发电系统，一定程度上实现了光伏发电控制技术与家庭用电实际的有效融合.

1 系统设计

家用光伏发电系统结构主要由主电路和控制电路两大部分组成，如图1所示.主电路包括普通市场供电(简称市电)和太阳能供电两个系统，它们之间通过全控型继电器K1和K2进行切换，而且以风光互补发电系统供电为主，市场供电为辅.太阳能供电系统是主电路的核心部分，主要包括光伏电池组、直流变换电路、蓄电池电路以及升压逆变电路.

控制电路以ATmega128单片机[1]为核心，采用该芯片的可编程PWM资源实现直流斩波电路[2]的控制和逆变电路的控制；通用I/O接口实现开关K1和K2的切换控制、蓄电池的三段式充放电控制[3]以及键盘、显示等功能；内部集成的A/D转换器完成电路控制中必要参数的检测.整个控制电路的驱动电路均采用IR2110集成驱动芯片设计[4]，电源由光伏发电系统、蓄电池和市电互补供电.

(a)相同温度不同光照下P-U曲线;(b)相同光照不同温度下P-U曲线

图3 功率变换器原理图

2 MPPT控制策略

2.1 控制原理

图2示出了光伏电池在相同温度不同光照和相同光照不同温度时的输出特性曲线[5].从功率-电压曲线可以看出太阳能电池具有明显的非线性特性[6-7]，同时，在一定的光照和温度情况下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，要输出当前工作状态下的最大功率，太阳能电池必须工作在最大功率点处.

光伏电池的最大功率跟踪控制可以通过功率变换器实现，系统模型如图3所示.

忽略变换器自身的功率损耗，可以得出当光伏电池组工作于最大功率点时必须满足:

(1)

其中:Ri表示从光伏电池输出端看进去的输入电阻，Rs表示光伏电池组的等效内阻，α和M分别表示Buck-boost变换器占空比和逆变器的SPWM调制比.

为了有效减小输出谐波值，逆变器采用单极性倍频SPWM调制[8]，设输出基波电压电流有效值分别为V0和I0，在光伏最大功率点处有:

(2)

其中:Vs表示光伏电池组输出电压值.由式(1)和式(2)可得:

(3)

从上面的推导结果可以看出，通过实时调整直流斩波电路的占空比α和逆变电路的SPWM调制比M，可以实现光伏电池组的最大功率跟踪控制.由于存在两个控制变量α和M，在整个控制过程中，可以避免占空比α接近于0或1的极限情况，也可以避免调制比M过大和过小，从而使α和M分别控制在0.5和0.8左右的理想情况附近，实现整个系统的优化控制.

2.2 控制方法

最大功率跟踪控制方法较多，常用的有恒定电压法、扰动观察法、导纳增量法等，不同的方法有各自的优缺点[5].为了减小跟踪暂态时间，本设计采用改进型扰动观察法，该方法控制思路简单，功率跟踪实现容易.具体步骤为，首先对占空比α和调制比M根据式(1)设置初值，设置的标准为尽量使α和M分别在0.5和0.8附近，负载RL值可以通过输出电压电流的测量进行粗略估算，Rs值取光伏电池组平均值；初值设置完成后，采用普通扰动观察法进行最大功率跟踪.该方法在温度或者光照强度变化较频繁的情况下，可以大大缩小最大功率跟踪时间，从而提高系统的实时性和稳定性.

2.3 方案实现

对光伏发电系统进行最大功率跟踪(MPPT)控制是最大程度利用能源的有效途径.本系统从硬件电路设计入手，结合单片机软件采用5种工作状态对应用户的4种不同用电情况，详细方案如表1所示.

当用户用电量很大时(如冬天多个电加热炉取暖)，必须由光伏发电系统和市电并联供电，以满足用电要求.当用户用电量较大时(如中午用电炉做饭等)，如果光伏电池组发电量能满足供电要求，可以采用MPPT控制，从而实现最大功率输出.但是，普通家用电器必须由市电供电.如果用户用电量较大而光伏电池组发电量不能满足供电要求时，必须由光伏电池组和蓄电池共同供电，此时不能实现MPPT控制.当白天用户用电量很小时，只有家用电器工作，此时可以对蓄电池进行充电，同时对家用电器提供220伏电源供电.当光照很弱或者晚上时，部分时间可以采用蓄电池供电，如果蓄电池电量不足，则必须切换至市电进行供电.

图4 系统主程序流程图

表1不同工作状态的MPPT控制策略

Tab.1 MPPT control strategies of different working modes

工作状态时间和用电情况供电电源MPPT控制策略状态0白天,超大用电量光伏电池组+市电无状态1白天,大用电量光伏电池组+蓄电池无状态2白天,大用电量光伏电池组可实现MPPT控制状态3白天,小用电量光伏电池组可对蓄电池进行MPPT充电控制状态4晚上市电或蓄电池无

2.4 软件设计

单片机软件主要实现电压电流采样、直流斩波电路控制、逆变电路控制、参数设置以及光伏发电与市电的互补供电控制等功能，其中参数设置通过键盘采用中断方式完成，未设置时使用默认值.图4为整个控制系统的主程序流程图.其中采样部分完成电压、电流采集和传感器信号采集.参数Flag1表示光电传感器标志位，1和0分别表示白天和晚上，参数Flag2表示输出功率分标志位，取0、1和2三个值，分别表示超大用电量、大用电量和小用电量.

3 仿真和结果分析

为了分析系统的运行状况并验证MPPT控制算法的有效性，采用Matlab软件对系统工作在状态2时的情况进行了仿真.仿真时，采用直流电源加电位器模拟太阳能电池的输出特性，采用Simulink的用户自定义模块模拟单片机的功能，实现参数测量和系统控制，仿真模型如图5所示.

在虚拟单片机模块中编写MATLAB程序，用来对比仿真扰动观察法改进前后的输出功率波形，仿真结果如图6所示.其中，曲线a表示扰动观察法改进前输出功率波形，曲线b表示扰动观察法改进后输出功率波形.从仿真结果可以看出，系统输出有功功率稳定，同时，对扰动观察法改进后可以一定程度减小最大功率搜索时间.

图5 系统仿真模型 图6 输出功率波形

4 结论

采用AVR单片机设计了一种适用于家庭用户的光伏发电系统，引入了MPPT控制策略极大的提高了系统的能源利用效率，在充分利用不同地域的太阳能资源方面，具有较高的经济实用价值和市场推广价值.

参考文献:

[1]全钟夫，杜刚.ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]王兆安、黄俊.电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2008：103-107.

[3]闭金杰，罗晓曙，杨日星,等．基于AVR的太阳能控制器设计[J]．现代电子技术，2009(10)：167-169.

[4]李绍武．家用风光互补发电系统的设计与MPPT控制[J]．湖北民族学院学报:自然科学版，2010，28(3)：357-360.

[5]徐鹏威，刘飞，刘邦银等．几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J]．电力电子技术，2007,41(5)：3-5.

[6]何薇薇，杨金明．太阳能光伏发电最大功率跟踪系统研究[J]．电力电子技术，2008,42(8)：30-32.

[7]王群京，王涛，李国丽．小型风光互补MPPT控制的研究[J]．电气传动，2009，39(5)：40-42.

[8]陈坚.电力电子学—电力电子变换和控制技术[M].北京：高等教育出版社，2004.