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，由于我國光伏技術(shù)與世界先進(jìn)國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，開發(fā)戶用光伏并網(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)律與太陽電池的輸出十分一致。對(duì)市電供電系統(tǒng)來說起到平峰作用。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)停開空調(diào)時(shí)，還可將太陽電池的電能反饋到電網(wǎng)，使太陽能得到充分利用。在太陽能轉(zhuǎn)移過程中，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。國內(nèi)對(duì)于太陽能空調(diào)系統(tǒng)的研究還不是很多，但是，根據(jù)國外市場(chǎng)信息，相信國內(nèi)將來也會(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)生的交流電能超過空調(diào)電能所需時(shí)，超過部分饋送給電網(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的開關(guān)頻率調(diào)制來完成的。

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

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。在逆變過程中，逆變器由SA，SB，SC和SD組成，SA和SB開通在交流電壓的正半周期，SC和SD開通在交流電壓的負(fù)半周期。當(dāng)S2和D1開通時(shí)，L2和之間的電流差異通過C1來吸收，L4用來濾去輸送到空調(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)中太陽電池直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能，太陽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)，太陽電池能夠輸出的功率也就越大，而溫度剛好相反，太陽電池本身溫度越高，太陽電池能夠輸出的功率越小，他的輸出具有非線性特性。圖2給出太陽電池的輸出特性曲線。圖2(a)是太陽電池溫度在25℃時(shí)太陽電池的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)、太陽電池溫度等有關(guān)。由圖2(b)進(jìn)一步可知，由于太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽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 太陽電池的最大功率點(diǎn)跟蹤

太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤是為充分利用太陽能，使太陽能電池始終輸出最大電功率。太陽能電池的MPP跟蹤是基于對(duì)開關(guān)頻率S1的調(diào)制。開關(guān)S1的PWM信號(hào)是由低頻信號(hào)調(diào)制。太陽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，還有專門的乘法累加器結(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流、過壓保護(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。采用變步長的ode23tb仿真。從0 s開始仿真，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)過逆變器後變?yōu)榻涣麟姡俳?jīng)過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

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，能有效提升太陽能電池的輸出功率，充分利用了能源。通過仿真結(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。