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光伏并网发电系统设计

摘要：最大功率点跟踪是光伏并网发电系统中经常遇见的问题。系统设计采用电流型控制芯片UC3845实现最大功率点跟踪（MPPT），由单片机STC12C5408AD产生SPWM信号，实现频率相位跟踪功能、输入欠压保护功能、输出过流保护功能。结果表明，该设计不但电路设计简单，软硬件结合，控制方法灵活，而且能够有效的完成最大功率跟踪的目的。
关键词：STC12C5408ADDC-AC转换电路MPPT

太阳能作为绿色能源,具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点,越来越受到人们的关注。光伏电池的输出是一个随光照、温度等因素变化的复杂量，且输出电压和输出电流存在非线性关系。光伏系统的主要缺点是初期投资大、太阳能电池的光电转换效率低。为充分利用太阳能必须控制电池阵列始终工作在最大功率点上，最大功率点跟踪(MPPT,MaximumPowerPointTracker)是太阳能并网发电中的一项重要的关键技术。
1设计任务
为研究方便设计一光伏并网发电模拟装置，其结构框图如图1所示。用直流稳压电源US和电阻RS模拟光伏电池，US=60V，RS=30Ω~36Ω；uREF为模拟电网电压的正弦参考信号，其峰峰值为2V，频率fREF为45Hz~55Hz；T为工频隔离变压器，变比为n2:n1=2:1、n3:n1=1:10，将uF作为输出电流的反馈信号；负载电阻RL=30Ω~36Ω。要求系统具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，频率、相位跟踪功能，输入欠压保护和输出过流保护功能。另外要求系统效率高、失真度低。

图1并网发电模拟装置框图
2系统总体方案
光伏并网系统主要由前级的DC-DC变换器和后级的DC-AC逆变器组成。在系统中,DC-DC变换器采用BOOST结构,主要完成系统的MPPT控制;DC-AC部分采用全桥逆变器,维持中间电压稳定并且将电能转换成110V/50Hz交流电。设计采用单片机SPWM调制，驱动功率场效应管，经滤波产生正弦波，驱动隔离变压器，向负载输出功率。系统设计保证并网逆变器输出的正弦电流与电网电压同频同相。系统总体硬件框图如图2所示：
DC-DC升压
光伏电池（模拟）
DC-AC逆变
工频隔离变压器
STC12C5408AD单片机(主)
欠压保护
uF

uREF
过流保护
STC12C5408AD单片机(从)

负载

图2系统总体硬件框图

3MPPT原理及电路设计
3.1MPPT原理
由于光伏阵列的最大功率点是一个时变量，可以采用搜索算法进行最大功率点跟踪。其搜索算法可分为自寻优和非自寻优两种类别。所谓自寻优算法即不直接检测外界环境因素的变化,而是通过直接测量得到的电信号,判断最大功率点的位置。典型的追踪方法有扰动观测法和增量导纳法等。增量导纳法算法的精确度最高,但是,由于增量导纳法算法复杂,对实现该算法的硬件质量要求较高、运算时间变长，会增加不必要的功率损耗,所以实际工程应用中,通常采用扰动观测法算法。
扰动观测法原理:每隔一定的时间增加或者减少电压,并通过观测其后功率变化的方向,来决定下一步的控制信号。其具体调整方案如下:U、I为上一次的检测值,P为对应的输出功率;U1、I1为当前检测值,P1为对应功率。对应增大参考电压会出现以下两种情况:(1)P1>P,说明扰动方向正确,系统应保持原来的扰动方向;(2)P1<P,说明扰动方向错误,系统需要调整扰动方向。当寻优过程处于暂态过程时,即光伏阵列输出功率与最大功率的差值较大时,则增大步长,以改善动态响应特性,提高追踪速度;当寻优过程接近稳态时或输出功率的波动只由步长的大小决定时,则减小步长,以提高稳态响应品质。如此反复直到工作点接近Pmax。这是一个自寻优的过程,它的控制原则是参考电压的变化始终让电池输出功率朝大的方向改变。

3.2MPPT电路设计
当一个内阻不为零的电源和负载相连时,当负载的电阻值和电源内阻值相等时即电源输出电压等于电源额定电压的1/2时,负载上获得最大功率。将DC-DC变换器输入、输出电压和电流测量结果经过单片机分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC-DC转换器功率开关管的占空比。调节占空比D可以使MPPT电路从输人端看进去的等效电阻发生改变，进而达到阻抗匹配的目的，就可以实现DC-DC转换电路在光伏发电系统中对太阳能电池最大功率点的跟踪。

图3DC-DC电路图
太阳能光伏阵列输出电压和输出电流的检测对最大功率跟踪功能的实现是至关重要的，精确的电压、电流测量值有助于提高最大功率点跟踪的准确性。因此，选用电流型PWM控制芯片UC3845可以方便的设定流过主开关的电流峰值，而且还能提高系统的动态响应。具体电路如图3所示。实现最大功率跟踪功能即满足，因此，采用DC-DC的输出电压来调整DC-AC的输出，使负载RL消耗的功率改变。当时致使