维普资讯 http://www.cqvip.com 参ｌ 勺 似 光伏发电系统的研究与设计 曾叶凡，刘志峰，张爱平 （北京工业大学机电学院，北京１０００２２） 摘要：分析了光伏发电的背景，研究了光伏发电的基本原理，在此基础上针对国电某单位的项目要求 设计出一款符合要求的光伏系统，包括控制器基本功能的实现、控制器的保护功能和逆变 器的主电路设计以及主程序流程。该设计系统已经调通，达到项目要求并实现项目要求的功能。 该设计主要适合中小型光伏系统，具有电路简单、功能较全等优点。 关键词：光伏系统；控制器；逆变器 中图分类号：ＴＰ３０２．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００９—０１ ３４（２００８）０４—００７２—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ＺＥＮＧ Ｙｅ—ｆａｎ，ＬＩＵ Ｚｈｉ—ｆｅｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ａｉ—ｐｉｎｇ （Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ ０００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｈａｖｉｎｇ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａ ｓｅｔ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｉｔｅｍ ｏｆ ａ ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｉｎｖｅ￣ｅｒ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｍａｉｎ ｐｒｏｇｒａｍ ｆｌｏｗｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｅｂｕｇｇｅｄ ａｎｄ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｔｅｍ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｓｕｉｔ ｆｏｒ ｓｍａｌｌ ｏｒ ｍｉｄｄｌｅ ｐｈｏｔｏｙｏｌｔａｉｃ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｈａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｃｅ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ；ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｉｎｖｅ￣ｅｒ １太阳能应用现状和光伏发电的背景 ２光伏发电系统的基本原理 在地球资源日渐枯竭的今天，太阳能作为一种 光伏发电的基本原理就是利用光电效应，将太 “取之不尽，用之不竭”的安全、节能、环保新能源 阳辐射能直接转换成电能。当太阳光（或其他光）照 越来越受到世人的关注，各国或企业纷纷把可 射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电 持续发展的目光投向太阳能这一新兴能源领域。 子一空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和 目前，随着太阳能应用技术的不断提高，国家 空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产 的大力扶持，太阳能的应用也越来越广泛，目 生“光生电压”。若在内建电场的两侧引出电极，并 前我们国内太阳能的应用主要在以下几个方面：通 接上负载，则负载就有“光生电流”流过，如图ｌ所 信和工业应用，包括微波中继站、光缆通信系统等； 示。 农村和边远地区的光伏发电系统，主要包括太 阳能户用系统、太阳能照明等；并网光伏发电系统， 主要包括城市与建筑结合的并网光伏发电系统和大 型的荒漠光伏电站，目前这类应用尚处于试验示范 Ｐ 阶段。 Ｐ—Ｎ 光伏发电可以从根本上解决人类的能源问题， 清洁无污染、太阳能也是可再生能源。专家预言，太 阳能将是２１世纪最理想的新能源之一。而我国幅员 辽阔，太阳能资源也很丰富，这对我国普及太阳能 负载电阻 光伏技术和利用新能源提供了有利保障。因此，光 图１光电转换示意图 伏发电具有非常广阔的前景。 收稿日期：２００７．１２—０３ 作者简介：曾叶凡（１９８２一），女，山东莘县人，硕士研究生，机电控制方向。 【７２Ｊ 第３０卷第４期２００８—０４ 维普资讯 http://www.cqvip.com 务ｌ 太Ｎｉｌ电池单体是光电转换的最小单元，其电 压和电流都很小，一般不单独作为电源使用。将太 Ｎｉｌ电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电 ｌＩ５ 似 统的功能要求，设计光伏系统如下： 太阳能电池采用了北京某公司提供的单晶硅太阳 能电池。单晶硅太Ｎｉｌ在市场上的性价比相对较高； 蓄电池采用了阀控式免维护铅酸蓄电池； 控制器和逆变器的详细设计过程见下文。 池组件（即太阳能电池板，以下均简称太阳能电 池），是可以单独作为电源使用的最小单元。受环境 影响太阳能电池板输出的电压不稳定，所以一般先 ３．１控制器设计 将电池输出的电能存储在蓄电池中，之后由蓄电池 输出供负载使用，其系统框图如图２所示。 太 图２光伏发电系统组成框图 其中，各部分的作用如下： 太阳能电池板：系统中的核心部分，将太阳能 直接转换成电能。 太阳能控制器：快速、平稳、高效的为蓄电池 充电；同时保护蓄电池，避免过充和过放现象。 逆变器：将太阳能电池和蓄电池提供的低压直 流电（ＤＣ）逆变成交流电（ＡＣ），供给交流负载使用。 蓄电池（组）：将太Ｎｉｌ电池发出的直流电直接储 存起来。 ３光伏发电系统的设计 根据项目要求，现需设计一套光伏系统， ５０Ｗ的负载，要求负载每天工作２～３个小时，阴雨 天时能够持续３天供电。详细的功能要求见表１。 表１光伏发电系统功能要求 组成部分 电气参数 功能要求 太阳能 采用太阳能电池单体串 电池 ６０Ｗ 联并联结合的连接方式 阀控式免维护铅酸蓄电 蓄电池 １２Ｖ／６５ＡＨ 池 输出为５０Ｈｚ、２２０Ｖ±５％ 的交流电 逆变器 ３００Ｗ 具有输入短路保护、低 输入电压报警等保护功 能 以单片机ＡＴＭＥＧＡ１６为 控制核心，采用最大功 控制器 １２Ｖ／１０Ａ 率点控制方法；具有过 充、过放等保护功能光 控智能。 根据光伏发电的原理，结合本项目中对光伏系 控制器的最主要的功能就是通过检测蓄电池的 电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点 或放充点，并根据检测结果发出继续充、放电或终 止充、放电的指令。 控制器的功能除了监测判断是否继续充放电， 为了保护系统正常运行还要对充放电过程进行保护。 利用太阳能电池自身的光敏特性就可以实现光控功 能。 ３．１．１最大功率跟踪点控制设计 最大功率点控制方法有多种，大都十分复杂， 而目前国内的最大功率点控制尚处于理论阶段，并 没有广泛应用于市场，本设计就采用采用ＣＶＴ（恒 定电压跟踪法）的最大功率点控制，此方法相对简 单有效。 硅太阳电池具有如图３所示的伏安特性，在不 同的日照强度下它与负载特性Ｌ的交点如ａ、ｂ、ｃ、 ｄ、ｅ为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点 并不正好落在阵列可能提供的最大功率点ａ’、ｂ’、ｃ’、 ｄ’、ｅ’，这就不能充分利用当前条件下阵列所能提供 的最大功率，被浪费的阵列能量如图３—３阴影所示 的面积。人们发现当温度保持在某一固定值时，ａ’、 ｂ 、ｃ 、ｄ’、ｅ 这些点几乎落在同一根垂直线的邻近两 侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成 电压Ｕ＝Ｃｏｎｓｔ的一根垂直线，亦即只要保持阵列的 输出电压为常数且等于某一日照强度下相对应的最 大功率点的电压，就可以大致保持阵列输出在该温 度下的最大功率，把最大功率简化为一个稳 压器，因此称为恒定电压跟踪法。 利用单片机的ＡＤ转换功能不停地循环监测太 阳能电池的输出端就可以得到太阳能电池的输出功 率，然后根据温度调整负载功率，使太阳能电池工 作在最大功率点处。 ３．１．２充放电控制设计 由于太阳能电池的不稳定性和蓄电池充放电 比较复杂的特性，本设计采用ＡＴＭＥＧＡ１６单片机控 制充放电过程。ＡＴＭＥＧＡ１６单片机属于ＡＶＲ单片 第３Ｏ卷第４期２００８—０４ ［７３１ 维普资讯 http://www.cqvip.com 务Ｉ 机，同样时钟频率时运算速度比５１快１２倍（５１是 内部１２分频，即大多数指令需要１２ＣＬＫ），并且内 部集成了大容量的ＦＬＡＳＨ，ＥＥＰＲＯＭ，多个定时器， 二十几个中断，内置１０ＢＩＴ Ａ／Ｄ，真正双向端口，集 成ＴｗＩ（ＩＩＣ），ＳＰＩ，ＪＴＡＧ等，与５１系列芯片价格 相当。 匐 出 蓄电池的电压过低和过高，初始化包括各寄存器的 初始化以及ＦｌａｇＬ＝０和ＦｌａｇＨ＝０。Ｕｓｕｎ＞Ｕｘｕ表示太 阳能电池电压高于蓄电池电压。为了稳定充放电保 护负载，程序设定由过充或过放时到正常可以工作 时持续一分钟后（确保此正常电路并非短暂瞬间的 正常）再正常放电或充电。 ３．１．３保护措施 短路过载保护：当发生短路或负载超过保险额 定值时，通过烧保险管进行保护。重 防反充保护：采用反向二极管ＩＮ５４０１或肖特基 二极管串接在电路上，防止极性接反。 温度补偿：蓄电池的容量随温度变化而变化， 因此对蓄电池的充放电进行温度补偿对延长蓄电池 图３太阳电池的伏安特性及共其工作点 的寿命来讲很有必要。本设计采用负温度系数的热 霾 根据蓄电池充放电的性质，可以将蓄电池的过 敏电阻进行温度补偿。热敏电阻在蓄电池工作的温 充点和过放点分别设为２个阈值电压点，充放电过 度范围（一般为一１０￣Ｃ到４５℃）内的阻值有近似线性 程中不停地检测蓄电池的电压，当蓄电池输出电压 关系，在电路中可以实现温度补偿。 低于过放电点时就切断蓄电池与负载的连接停止放 电；当蓄电池的电压高于过充点时就切断蓄电池与 ３．２逆变器设计 太阳能电池的连接，停止充电。主电路的电路框图 逆变器将直流电转化为交流电。 和软件流程图见图４和图５。 本系统主电路采用单相全桥电压型逆变电路和 正弦脉宽调制（ＳＰＷＭ）。全桥逆变电路克服了推挽 电路的变压器利用率低和带动感性负载能力较差的 缺点。进行ＳＰＷＭ调制逆变后，经ＬＣ滤波输出。 ＳＰＷＭ电路输出的电能性能质量较好，谐波分量较 小，容易滤波。为了稳定输出电压，对输出电压进 行隔离反馈，再将反馈信号送单片机，由单片机产 图４控制器主电路框图 生经ＰＴ调节的ＳＰＷＭ调制波，然后经逻辑延时后驱 动ＭＯＳＦＥＴ开关管。 正弦波等效的脉宽调制波形。 其主电路框图见图６。 图６逆变器主电路框图 主程序的主要任务是初始化、对过流和欠压信 号进行监控及等待中断。系统的初始化包括特殊寄 存器、通用寄存器以及各变量的初始化等。采用ＰＩ 算法的比例积分控制，抑制由负载变化带来的系统 图５控制器主程序流程图 扰动，控制输出电压的稳定，实现稳压。主程序流 注：流程图中标示变量ＦｌａｇＬ；￣ｌＦｌａｇＨ分别标示 程图如图７所示。 １７４－１ 第３Ｏ卷第４期２００８—０４ ＝善一一卜维普资讯 http://www.cqvip.com 、１ 匐 化 同时为正或同时为负时，ＴＰＬ２５０输出信号均为低电 平。因此，减小的误触发的产生，增强了系统的抗 干扰和安全可靠性。驱动电路如图８所示。 ｌ、 ３＿２．３保护电路 矗嗡 逆变器的保护设计，用反向二极管防直流极性 反接；烧保险管来进行交流短路和过载保护；小型 排风扇散热，逆变器因较长时间工作导致过热损坏 器件；接具有负温度系数的大功率热敏电阻吸收电 路中出现的瞬态造作过电压和冲击电流，防止浪涌。 ３．３系统调试 各部分设计好之后要对整个系统进行整体调试。 该设计系统整体调通之后能够满足预期的功能 要求：该系统可为笔记本电脑（功率约为５０Ｗ）供 电，每天工作３个小时，连续阴雨天可持续三天供 电。 图７逆变器主程序流程图 ３．２．２驱动电路 ４结论 本文介绍了光伏发电的基本原理，在此基础上 设计出一款符合项目要求的光伏系统，该系统具有 以下特点： ＭＯＳＦＥＴ对栅极的驱动电路主要有以下要求： 触发脉冲要有足够快的上升和下降速度，即脉冲前 后沿非常陡峭；为了使开关波形具有足够的上升和 下降速度，驱动电流要具有较大的数值；对于本全 （１）系统简单，容易实现，成本也比较低。 （２）用体积小、功能全、价格便宜而且使用 ＡＴＭＥＧＡ系列单片机作为控制芯片，从而简化了控 制器电路设计，同时提高了系统的性价比。 （３）控制器具有放过充、防反充、短路保护、温 度补偿等保护功能。 （４）逆变器采用高频逆变，全桥逆变电路和正 弦波调制方式，输出的电能质量较好，带动负载能 力较强。 桥驱动电路，需要将控制电路产生的ＳＰＷＭ信号放 大，并与主电路隔离。 考虑这些因素，系统采用Ｔｏｓｈｉｂａ专门为ＩＧＢＴ、 ＭＯＳＦＥＴ等门控隔离驱动而设计的光耦隔离驱动集 成芯片ＴＬＰ２５０。 参考文献： ． ［１］许海荣，钟史明．充分利用我国太阳能资源开发太阳能光 伏产业［Ｊ］＿沈阳工程学院学报（自然科学版）．Ｖｏ１．２．Ｎｏ４， Ｏｃｔ，２００６：３０９—３０２． ［２］苑进社，余世杰，何慧若．ＣＶＴ光伏泵水系统瞬态工作点特 性分析［Ｊ］．太阳能学报．Ｖｏ１．２３．Ｎｏ．５，Ｏｃｔ，２００２，ｐ．５５４． ［３］李德宝．光伏逆变电源系统的设计［Ｊ］．电源技术应用．Ｖｏ１． ８．Ｎｏ．９，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００５：５７—５９． ［４］胡文涛．高频正弦波逆变电源的实验研究．机械科学研究 图８驱动电路图 院硕士论文．Ｐ．２３—５４． 为防止ＴＰＬ２５０输入侧出现桥臂的上、下开关管 的触发信号同时为正或同时为负而造成短路，在 ＴＰＬ２５０的输入连接上，采用互锁式连接。这样当 ＴＰＬ２５０输入侧出现桥臂的上、下开关管的触发信号 ［５］王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术［Ｍ］．北京：化学 工业出版社，２００６． ［６］薛钰芝，张力，林纪宇．太阳能光伏技术的研究与发展［Ｊ］．大 连铁道学院学报，ｖｏ１．２４ Ｎｏ．４，Ｄｅｃ ２００３：７２—７３． 第３Ｏ卷第４期２００８—０４ ［７５１
