一种多用途离网光伏电源系统的设计与实现

周 用，李绍武

(湖北民族大学 信息工程学院，湖北 恩施 445000)

光伏系统以绿色环保、清洁可再生著称，是当前较为理想的发电方式之一.同时，中国出台了“光伏扶贫”的民生政策，用以改善农村粗放用能模式、缓解能源紧缺局面、促进能源结构优化和可持续发展[1-2].

传统电网向缺电的偏远地区送电，往往费时费力且需架设线杆、破坏生态环境，而小型离网光伏系统成本低且安装方便[3-5].为此，本文将对多用途离网光伏电源进行设计并完成实物制作与测试，以期设备能在向阳处独立运行并提供稳定可靠的电能.研究过程中将针对该设备的控制环节依据现有MPPT理论给出合理的设计方案.多用途光伏电源设备的设计与实现是设计山区光伏发电系统的前提条件.文中将结合山区旅游景点的建筑特点来设计光伏系统的应用结构.通过多用途光伏电源系统，景区内的各类公用设施也能独立获取灵活便捷、成本低廉的电能，进而实现节能减排的目的.

1 系统整体构架的设计

图1所示的光伏系统是以单台离网光伏电源设备为控制和输出核心的独立发电单元，图1中分别设计了光伏PV模块、电源设备模块、用电负荷模块、储能系统模块，并标注了电能与控制信号流向.为了降低设备电能损耗，设备模块选用低功耗的STM32单片机作为主控制器[6-7].通过其A/D转换单元采集逆变器的输出信号，然后产生所需的PWM波及SPWM波以控制DC/DC转换器和逆变器，同时作为光伏PV模块中的MPPT控制器实现最大功率点的实时跟踪.图1中，n个光伏PV模块PV1～PVn并联在一起，采用直流母线汇流方式为光伏电源设备提供充足的电能.在系统设计过程中，综合考虑安全电压及光伏阵列最大功率点处电压等因素，直流母线电压设定为36 V.为了实现光伏电池对直流母线的电能最大传输，MPPT控制器向每个DC/DC变换器(Boost)分别输出占空比可调的驱动信号，从而使每个光伏PV模块工作于最大功率点.电源设备模块的主控制器能实现自适应闭环调节，使母线直流电经升压、逆变环节，转换成可供多台常用电器负荷使用的工频交流电.系统选配额定工作电压为24 V的铅酸蓄电池组，有助于维持母线电压的稳定.控制器中设置储能识别系统，在阳光辐照量充沛且电量富余的情况对蓄电池充电储能，以应对夜间及阴雨天气的间歇性影响.系统预留了并网插口，当系统的使用环境能够满足并网条件时，主控制器的锁相环程序能控制系统稳定地向电网侧传输能量.

图1 光伏系统的设计图Fig.1 The design of the photovoltaic power system

图2 多个单元系统的布局与控制模式图Fig.2 The layout and control the mode of multi-unit power system

本文设计实现的光伏电源设备支持多台同时运行，由于扩展了光伏发电系统的容量，在大功率集中用电的场合也能实现用户的“即插即用”效果.为了匹配负荷的用电需求，依据实际情况，可以在“任意地点、任意时刻”将光伏电池板PV的数量进行增减装卸.多个光伏电源设备可以配置多个发电单元的光伏系统.由于每台光伏电源设备设有对外的控制接口，均能向外发出独立的MPPT及储能控制信号.因此，该系统中的每个独立单元能分别适应不同的光伏板辐照度及不同的负载分布情况.多个光伏发电单元的布局可以实现给不同的用户分别进行独立供电的模式.其中最为典型的方式是为旅游景区的建筑房间设计光伏系统布局，如图2所示.在该系统中光伏板可按照最佳倾角统一选址安装，建筑的每个用户的房间都可以获得一台或多台光伏电源提供的电力.

2 模块式光伏电源的设计

本文设计的单相离网型光伏电源的模块包括：①过压过流保护装置；②Boost升压转换器；③逆变器；④隔离驱动电路；⑤STM32单片机控制器；⑥直流辅助电源；⑦检测电路.上述系统的整体设计框图如图3所示，电源设备的两端分别是直流输入口和交流输出口，同时配备了外部控制接口用以连接蓄电池组等其它外部光伏系统设备.

图3 电源整体设计框图Fig.3 The overall frame design of the PV source

图4 核心电路设计图Fig.4 The design of the key circuit

图5 光伏电源内Boost电路简化图Fig.5 The simplified Boost circuit in the PV source

对市场现有的离网光伏电源进行调研的结果表明，为了使离网光伏电源适应偏远地区地理地貌的特点，须从系统结构和供电技术上进行改进[8].本文设计实现的离网光伏电源对以下两方面分别进行了优化.

1)系统结构实现轻量化.结构轻量化便于设备配合地貌因地制宜地发电取电.

2)供电技术实现可靠性.供电的可靠性使得电器负载均能以额定值正常工作.

3 电路结构与功能设计

光伏电源最核心部分是升压逆变电路.图4所示的是升压逆变电路的硬件结构，它的输出稳定且结构轻便，有效地减少了实际产品的体积和重量[9].图4中展示了核心电路配合控制器实现稳定输出的闭环工作原理.

图4的电路拓扑选择单相全桥逆变电路，其输出性能可满足实际要求[10].全桥逆变器的输入输出关系[11]满足：

Uo=0.707MUdc.

(1)

式中Uo为逆变器输出电压有效值，M为SPWM波的调制比.

本系统采用单极性SPWM波来驱动全桥逆变电路，具体算法中采用程序编制简单、数值更新速度快的查表法产生两路互补的SPWM波[12]，其载波频率为15 kHz.根据载波与调制波的调制原理可知，在两波形交点位置会产生单极性斩波信号的上升沿和下降沿，其极性与调制波的极性一致；交点位置由调制比M决定，M的变化可以调节SPWM波矩形脉冲的宽度[13].定义调制比M(0

(2)

式中Urm为调制波幅值，Ucm为三角载波幅值.

1)母线前级DC/DC电路采用图4中光伏电源内置升压部分结构，在电感中电流连续的情况下，输出电压Udc与输入电压UPV的关系[14]满足：

(3)

式中D为占空比，Udc为Boost输出电压，UPV为光伏板输出电压.假设Udc的取值为恒定直流母线电压，扰动D促使UPV稳定在光伏阵列最大功率点处的电压值附近，从而实现对光伏板电池的最大功率跟踪(MPPT).

2)对于母线后级光伏电源设备内置的Boost电路，若忽略电路中的损耗，即电源能量仅由输出端负载R消耗，根据电能守恒关系将电路等效简化为图5结构.假设Udbus为Boost电路的电源(即直流母线)电压.

根据最大功率传输定律[15]，当等效负载阻抗与电源内部阻抗共轭相等时，能够实现电源侧能量对负载侧的最大功率输出.输出电阻Ro[16]为：

Ro=(1-D)2R.

(4)

调节图中的占空比D可使等效输出电阻Ro趋近直流母线端的电压源(直流母线)内阻R内，此时电压源对外输出功率逼近最大值.若保持Udbus不变，改变占空比D能改变电压源输出电流I的大小，其关系可用式(5)表达.当该电源的输出功率达到最大值时，电流I同时达到峰值.

(5)

由上述分析可知：对于图1所示的离网光伏系统，由于直流母线式结构恒压的特点，可以通过分别调节母线两边的DC/DC的占空比D和逆变器调制比M来调整交流输出电压并完成全光伏系统的最大功率跟踪[17].由于光照条件的不确定性会导致光伏电源的输出电压产生波动，上述方法能维持输出在设定阈值区间内.

表1 常用电器测试表Tab.1 The test of common appliances

4 系统实现与测试

为了验证该设计方案的可行性，用制作的样机进行了实物测试.单极性SPWM波形如图6所示；系统测试如图7所示；光伏电源的样机如图8所示；光伏电源联接实物的效果如图9所示；四种常用电器负载的测试结果如表1所示.

图6 SPWM波形图 图7 系统测试图 Fig.6 SPWM waveforms Fig.7 System testing

图8 样机图 图9 实物效果图 Fig.8 The prototype Fig.9 The effect of linked appliances

在图6中，从示波器图像上可以观察到一对互补导通的单极性SPWM波，波形规则且无尖刺.在图7中，针对逆变电路、隔离驱动电路等硬件模块进行了系统测试，通过图7中的示波器可以观察到逆变器的输出电压波形，其正弦曲线平滑无纹波，频率稳定在工频50Hz.在图8中，光伏电源的结构简易轻便，样机各个模块间的联接紧凑.在图9中，从实物测试的效果中可以看出，负载均能维持良好的运行状态.在表1中，针对四种常用电器的测试结果表明，该电源样机能为常用类型的电器负载提供可靠的电能.

从表1的实物测试结果和实物效果图中可以得出：作品样机的核心部分(电路部分)能够为常用两插头负载(如40 W的阻性白炽灯)提供持续稳定的电能.搭配适当的接口也可对于其它三插头的电子设备(如65 W的显示屏等)进行正常供电.从图9也可以看出：多个负载同时接入该设备样机时，所有负载能够在各自额定值附近安全稳定的运行.

5 结语

本文针对偏远地区用户的供电需求，设计制作了即插即用的光伏电源.文中基于该电源设计了多个单元结构的大规模光伏发电系统，并对该系统的具体功能、布局以及控制模式进行了研究，提出了应用于旅游景区建筑房间的光伏系统应用模型.试验结果表明，多用途离网光伏电源设备在实物测试过程中性能达标，实现了光伏电源结构轻量化和供电可靠性的优化目的.在光照条件适宜时缺电地区的常用电器负载能通过本光伏电源系统高效地获取安全稳定的电能.本项研究成果有助于在电网无法完全覆盖的偏远地区推广建设离网光伏发电系统.