基于MPPT的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在家用空調(diào)器中的應(yīng)用

太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源。在全球環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，研究太陽(yáng)能利用對(duì)緩解能源危機(jī)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和保證經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。目前，由于我國(guó)光伏技術(shù)與世界先進(jìn)國(guó)家相比仍有不少的差距，且建立大型的獨(dú)立光伏電站運(yùn)行成本較高，因此，開(kāi)發(fā)戶(hù)用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)顯得刻不容緩。此外，家庭能源的消耗中，空調(diào)在夏季的耗電量特別大，并且，在一天中自晝的負(fù)荷呈尖峰態(tài)，其負(fù)荷變化的規(guī)律與太陽(yáng)電池的輸出十分一致。對(duì)市電供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)起到平峰作用。因此，基于空調(diào)器的這個(gè)特點(diǎn)，本文提出將戶(hù)用光伏發(fā)電系統(tǒng)和空調(diào)結(jié)合在一起的設(shè)計(jì)思想。其工作原理是太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能送至空調(diào)中，進(jìn)而給空調(diào)器供電。當(dāng)停開(kāi)空調(diào)時(shí)，還可將太陽(yáng)電池的電能反饋到電網(wǎng)，使太陽(yáng)能得到充分利用。在太陽(yáng)能轉(zhuǎn)移過(guò)程中，本文引入最大功率點(diǎn)跟蹤的方法，使光伏陣列始終保持在最大輸出功率，文章中對(duì)這種方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能空調(diào)系統(tǒng)的研究還不是很多，但是，根據(jù)國(guó)外市場(chǎng)信息，相信國(guó)內(nèi)將來(lái)也會(huì)有廣闊的應(yīng)用前景。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的主電路如圖1所示。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)而言，空調(diào)器的用電既可由光伏陣列供電，也可以由電網(wǎng)供電。并網(wǎng)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電能，向空調(diào)器供電。白天，當(dāng)光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能超過(guò)空調(diào)電能所需時(shí)，超過(guò)部分饋送給電網(wǎng)；其他時(shí)間，當(dāng)空調(diào)大于光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載提供補(bǔ)充電能。

圖1是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路圖，他主要由2部分組成，前一部分是Buck-Boost變換器工作在不連續(xù)模式下，后一部分是逆變的過(guò)程。在光伏發(fā)電電路中，Buck-Boost變換器由S1，S2，Lp和D1組成。他的作用是結(jié)合最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)輸出電流io整形。Li和Ci作為輸入濾波器起到平滑輸入電流的作用。逆變器輸出電流iac作為對(duì)空調(diào)器供電電路的輸入電流。最大功率點(diǎn)跟蹤是基于對(duì)S1的開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制來(lái)完成的。

在Buck-Boost電路中，當(dāng)S1開(kāi)通，S2和D1關(guān)斷，Lp存儲(chǔ)能量，當(dāng)S1關(guān)斷，D1和S2開(kāi)通，存儲(chǔ)在Lp和Cdc的能量將轉(zhuǎn)移輸出，在開(kāi)關(guān)周期Ts期間，S2的開(kāi)關(guān)斷是通過(guò)比較io和給定電流i'ac,reg的關(guān)系來(lái)控制的。

Lp作為臨時(shí)存儲(chǔ)能量的緩沖器，如果光伏陣列輸出功率高于空調(diào)器的吸收的功率，存儲(chǔ)在Lp中的能量將在S2關(guān)斷后通過(guò)LS和D2轉(zhuǎn)移到Cdc 上，Cdc的平均電壓等同于Vac峰值電壓的一半，Cdc用來(lái)校正i'ac,reg和i0。因此，Lp和Cdc的連接在向充電電路傳輸能量的過(guò)程中，起到了電流整形和減少Cdc上電壓應(yīng)力的好處。在逆變過(guò)程中，逆變器由SA，SB，SC和SD組成，SA和SB開(kāi)通在交流電壓的正半周期，SC和SD開(kāi)通在交流電壓的負(fù)半周期。當(dāng)S2和D1開(kāi)通時(shí)，L2和之間的電流差異通過(guò)C1來(lái)吸收，L4用來(lái)濾去輸送到空調(diào)器上的高頻電流成分，實(shí)現(xiàn)逆變器輸出平滑的正弦波。

2.2 光伏電池的輸出特性

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)電池直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，太陽(yáng)電池的輸出由多種因素決定，如日照情況、溫度等，在不同的環(huán)境中，太陽(yáng)電池的輸出曲線是不同的，相應(yīng)的最大功率點(diǎn)也不同。日照越強(qiáng)，太陽(yáng)電池能夠輸出的功率也就越大，而溫度剛好相反，太陽(yáng)電池本身溫度越高，太陽(yáng)電池能夠輸出的功率越小，他的輸出具有非線性特性。圖2給出太陽(yáng)電池的輸出特性曲線。圖2(a)是太陽(yáng)電池溫度在25℃時(shí)太陽(yáng)電池的U，I和日照(S)的曲線。從圖中可以看出，曲線上任一點(diǎn)處的功率為P=UI，其值除與U，I有關(guān)外，還與日照(S)、太陽(yáng)電池溫度等有關(guān)。由圖2(b)進(jìn)一步可知，由于太陽(yáng)電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽(yáng)電池面積上的功率之比，為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)處，這樣就可以以功率盡可能小的太陽(yáng)電池獲得最多的功率輸出。在圖2中，A，B，C，D，E點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)不同日照時(shí)的最大功率點(diǎn)。

2.3 太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)跟蹤

太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤是為充分利用太陽(yáng)能，使太陽(yáng)能電池始終輸出最大電功率。太陽(yáng)能電池的MPP跟蹤是基于對(duì)開(kāi)關(guān)頻率S1的調(diào)制。開(kāi)關(guān)S1的PWM信號(hào)是由低頻信號(hào)調(diào)制。太陽(yáng)能電池的模型可以用圖3電路等效。

Vg作為電源，rg作為電池的內(nèi)阻，Vg和rg都受到日照強(qiáng)度和溫度的影響，轉(zhuǎn)換器的輸入電壓和輸入電阻用Vin和rin表示。假設(shè)100％的轉(zhuǎn)換效率。

2.4 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

這里的控制器選擇TI公司的DSP芯片TMSLF2407。該DSP芯片是一種高速專(zhuān)用微處理器，保持了一般微處理器系統(tǒng)的特點(diǎn)，又具有優(yōu)于通用微處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算能力。他采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，多組總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)行機(jī)制，還有專(zhuān)門(mén)的乘法累加器結(jié)構(gòu)，以及提供了非常靈活的指令系統(tǒng)，這一切都極大地增加了運(yùn)算速度，也提高系統(tǒng)的靈活性。

為此，他完成的任務(wù)主要有以下幾個(gè)方面：

(1)采集直流、交流電壓和蓄電池電壓等模擬量用監(jiān)測(cè)和控制；

(2)向功率器件驅(qū)動(dòng)板提供用軟件產(chǎn)生的脈寬和頻率可實(shí)時(shí)改變的PWM信號(hào)；

(3)與人機(jī)界面之間進(jìn)行實(shí)時(shí)交互通信，接收并發(fā)送需要現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)；

(4)接受功率器件那提供的過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)功能。

系統(tǒng)的硬件框圖如圖4所示：

3 仿真結(jié)果

基于上述最大功率點(diǎn)跟蹤的理論研究，為了驗(yàn)證方案正確性，采用Matlab軟件對(duì)光伏發(fā)電電路部分進(jìn)行仿真分析。采用變步長(zhǎng)的ode23tb仿真。從0 s開(kāi)始仿真，仿真時(shí)間設(shè)為0.1 s。最大功率點(diǎn)跟蹤模塊的采樣周期取0.001。太陽(yáng)能光伏陣列輸入日照取100 W／m2，電池溫度為在25℃設(shè)置好各模塊仿真參數(shù)后，即可仿真。

圖5為帶有MPPT的光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)逆變器後變?yōu)榻涣麟?，再?jīng)過(guò)隔離變壓器后輸出的電壓和電流波形。電壓為120 V／div，電流為0.5 A／div，從圖中可以看出交流電壓和電流有較好的正弦波形，且功率因數(shù)為接近1。

4 結(jié)語(yǔ)

最大功率跟蹤功能的設(shè)計(jì)，尤其是在溫差變化較大場(chǎng)合，能有效提升太陽(yáng)能電池的輸出功率，充分利用了能源。通過(guò)仿真結(jié)果還可以看出，光伏發(fā)電電路的設(shè)計(jì)具有很好的穩(wěn)定性，從而驗(yàn)證了方案的正確性。并且由于采用TMS320F2407控制，使整個(gè)系統(tǒng)的可控性提高，可以更好的協(xié)調(diào)前后兩級(jí)的控制關(guān)系。