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独立光伏发电系统的研究与设计


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参l  

勺 似   

独立光伏发 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 1 0 2 ) 0 0 2 



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独立光伏系统 , 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: P3 2 1 T 0.   文献标识码:   A 文章编号:1 0 — 1 4 2 0 ) 4 0 2 0    9 0  ( 08 0—0 7 — 4 0 3

Re e r h a d d s gn o  h   h o ol i  ys e s a c   n   e i   f e p ot v t c s t m  t a ZENG  — n L U Z i e g ZHANG  — ig Ye f , I   h— n , a f Ai n   p

( e igU i ri f e h oo y B i g1 0 2 ) B i   nv syo  c n l , e i    0 2  j n e t T g j n 0
Ab ta t Onteb sso  a iga ay e  h  a k r n    h tv l i n  e e rh dteteb sc s r c :  h   a i f vn   n lz dteb c gou dof oo ot ca dr s a c e  h  h  a i h p a  
t e r   f h t v t i  y t m, e i n d a s t f h t v t i  y t m  mi g a  h   em  f   h o y o   o o ol c s s e d sg e     e     o o ol c s s e ai n   t e i p a o p a t t o  a

c omp n   fn t a  lc r   o a yo   ai on l e ti p wer y t e c   sem , icu n   o tolr iv  ̄   d tei man s n ldig c n r l , n e er e an  h r   i  cr ut , i  r g a f ws Th   e inh sb e   eb g e   n   a   c iv  h  e u s  i i manp o r m o . ed sg   a   e nd u g d a dc na he et er q e t c s l o h  t m . e d i  sm a ny s if   m al rm ide p oo ol c s sem ,n   as ft e i e Th   esgn i  i l  ut or   s lo   d l  h ty t   y t   ai a dh  
e c l c   fsm p e c r ut o pe e f n t n a d S   n   x e l e o   i l  i i c m lt  u c i   n   O o . en c , o Ke   o d p o o o t c c t l r i v  ̄ r y w r s: h t v l ; on r l ; n e e   ai o e

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 , 太  将 阳辐射 能直 接转 换成 电能 。 当太 阳光 ( 或其 他光 ) 照 
射到 太 阳能 电池 上时 ,电池 吸收 光能 ,产 生 光生 电  子一 空 穴对 。在 电池 内 建 电场 作 用下 ,光 生 电子和 

“ 取之 不尽 ,用之不 竭 ”的安 全 、节 能 、环保 新能 源 

越 来越 受到 世 人的关 注 ,各 国政府 或企 业纷 纷把 可 
持 续发 展 的 目光 投 向太 阳能这 一 新兴 能源 领域 。   目前 ,随 着太 阳能 应用 技术 的不 断提 高 ,国家  政 府 的大力 扶持 ,太 阳能 的应用 也越 来越 广泛 ,目  
前 我们 国 内太 阳能 的应 用主要 在 以下 几个 方面 :通  信 和工 业应 用 , 括微 波 中继站 、 包 光缆 通信 系统 等;  

空 穴被 分离 ,电池两 端 出现异 号 电荷 的积 累 ,即 产 
生 “ 光生 电压 ” 若 在 内建 电场 的两 侧引 出 电极 , 。 并 

接上 负 载 , 负载 就有 “ 生 电流 ”流 过 ,如 图 l 则 光 所 
示。  

农村 和边 远地 区的独 立光 伏 发电 系统 ,主要 包括 太  阳能 户用 系统 、 阳能照 明 等;并 网光伏 发 电 系统 , 太   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 
阶段 。  
P  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 、 阳能 也是 可再 生能 源 。 家预 言 , 太 专 太  阳能 将是 2 世 纪最 理想 的新 能源 之一 。 1 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  光伏 技 术和 利用 新能 源提 供 了有 利保 障 。因此 ,光  伏发 电具 有 非常 广 阔的前 景 。  
收稿 日期:2 0 .20  0 71 —3
作者简介:曾叶凡 (9 2一) 18 ,女 ,山东莘 县人 ,硕士研 究生 ,机电控制方向 。   【 2  第 3 卷 7J 0 第4 期 20 — 4 08 0 
负 载 电 阻  图 1 光 电转 换 示 意 图 

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务l  
太 Ni 电池单 体是 光 电转换 的 最小单 元 ,其 电  l 压 和 电流都 很 小 ,一般 不单 独 作为 电源使 用 。将太  Ni 电池单 体 进行 串并 联封 装 后 ,就 成为 太 阳能 电  l

l 似  I 5  
统 的功 能要求 ,设 计独 立 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 Ni 在市 场上 的性 价 比相对较 高; l  
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 ( 太 阳 能 电 池 板 ,以 下均 简 称 太 阳 能 电  即
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  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 示 。 所  

31 控 制器 设计  .
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 。  
太 

控 制 器 的功 能 除 了监 测 判 断 是否 继续 充 放 电 ,  
图 2 光伏发电系统组成框 图  

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。  
311 最 大功 率跟踪 点 控 制设计  ..

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 

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 

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 

没 有广泛 应 用于 市场 ,本设 计就 采 用采用 C VT ( 恒 
定 电压 跟踪 法 )的 最大功 率 点控 制 ,此方 法 相对 简  单 有效 。  

流电 ( DC) 逆变成 交流 电 ( C) 供给 交流 负载使 用 。 A ,   蓄 电池( )将 太 Ni 电池 发 出的直流 电直接 储  组: l
存起 来 。  

硅 太 阳 电池 具 有如 图 3 示 的伏 安特性 ,在 不  所
同的 日照 强度下 它 与负载 特性 L的 交点 如 a 、c  、b 、 d 为 系统 当前 的工作 点 。可 以看 出 ,这些 工作 点  、e 并 不正 好落 在 阵列可 能提 供 的最大 功 率点 a、 ’c、 ’b、 ’  
d、 ’ 这 就 不能充 分利 用 当前 条件 下阵 列所 能提 供  ’ e,

3 独立光伏发 电系统 的设计 
根 据项 目要 求 ,现 需设 计 一 套 独立 光 伏 系统 ,  
5 W 的负载 , 求 负载 每天 工作 2 个 小 时 ,阴雨  0 要 ~3

天 时能够 持 续 3天供 电 。详细 的功 能 要求 见表 1  。
表 1 独立光伏发 电系统功能要求 
组 成部分  电气 参数 
6 W  0

的最 大功 率 ,被 浪费 的阵 列能 量 如图 3 3 影所 示  —阴 的面积 。人 们发 现 当温度 保持 在某 一 固定值 时 , ’ a、   b、   ’e 些 点几 乎落 在 同一根 垂直 线 的邻近 两   c、d、   这 侧 ,这 就有 可能 把最 大功 率 点的轨 迹 线近似 地看 成  电压 U C nt = o s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 

功 能要求 

太 阳能 
电池 

采用 太 阳能 电池单 体 串  
联 并联 结合 的连接 方式  阀控 式 免维护铅 酸 蓄 电 

蓄 电池 

1V/5   2 6 AH
池 

输 出为5 H 、 2 V±5 0 z 20 % 

度 下 的最 大功率 ,把 最大 功率 跟踪 器 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 

的交 流 电 
逆变 器  30 0 W  具有 输入 短路 保护 、低  输入 电压 报警 等保 护功 
能 

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 。  
31 充放 电控 制设 计  .. 2

以单 片机 A ME A1为  T G 6 控制 核心 ,采 用最 大功  控制 器  1V 1A 率 点控制 方法 ;具 有过  2 /0  
充 、过放 等保 护功 能光  控 智能 。  

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AT GA1 单 片机 控  ME 6 制 充放 电过 程 。AT G 6单 片机 属于 AV ME A1 R单 片 
第3 O卷 第 4期 2 0 — 4 [3  08 0  71

根据 光伏 发 电 的原理 ,结合 本 项 目中对 光伏 系 

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机,同样时钟频率时运算速度比 5 快 1 倍 (1 1 2 5 是  内部 1 分频 ,即大多数指令需要 1C K , 2 2 L ) 并且 内   部 集成 了大 容量 的F AS E P OM , L H, E R 多个 定时 器 ,   二 十几个 中断 ,内置 1B TA D, 0 I   / 真正 双 向端 口, 集  成T wI( C , P , T G等,与 5 系列芯片价格  I ) S I JA I 1
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 Fa L 0 Fa H= 。 u > x 表示 太  lg = 和 lg 0 Usn U u 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。  
31 保 护措 施  .. 3

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 。   防反 充保 护:采用 反 向二极 管 I 4 1 肖特基  N5 0 或 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 

重  
霾  

的寿命 来讲很 有 必要 。本设 计 采用 负温 度 系数 的热  敏 电 阻进行 温度 补偿 。热敏 电阻在 蓄 电池工 作 的温 

根据 蓄 电池 充放 电 的性质 ,可 以将 蓄 电池 的过  充 点和过 放 点分 别设 为 2个 阈值 电压点 ,充 放 电过  程 中不停 地 检 测蓄 电池 的 电压 ,当蓄 电池输 出电压  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 

度范 围 ( 一般 为 一0C到 4 ℃ ) 的阻值 有近 似线 性  1 ̄ 5 内
关 系 ,在 电路 中可 以实现 温 度补 偿 。  

32 逆 变器设 计  .
逆 变器 将直 流 电转化 为 交流 电 。   本 系统 主 电路采 用单 相全桥 电压 型逆 变 电路 和 

太 阳能 电池 的连 接 ,停 止充 电 。主 电路 的 电路框 图 
和 软件 流程 图 见 图 4和 图 5  。

正 弦 脉宽调 制 (P S WM ) 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 S W M 调制 逆 变 后 ,经 L P C滤 波输 出 。   S W M 电路 输 出的 电能性 能 质量较 好 , 波分 量较  P 谐 小 ,容 易滤 波 。为 了稳 定输 出电压 ,对输 出电压进 

= 善 一

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 P 调 节 的 S WM 调制 波 , 后经逻 辑 延时 后驱  T P 然 动 MOS E F T开关 管 。   正弦 波等 效 的脉 宽调 制波形 。   其 主 电路 框 图见 图 6  。

一 卜

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 P   I 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 
程 图如 图 7 示 。 所  

注 : 程 图中标 示变 量 Fa L ̄Fa H分别 标示  流 l ; lg g l
14  第 3 卷 7- 1 O 第4 期 2 0 —0  08 4

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、 1  

匐 化   
同时为 正或 同时 为 负时 , P 2 0 出信 号均 为低 电  T L 5输 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 示 。 所  

l  、

323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。  

33 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 5 W )供  0 电 ,每天 工作 3 小 时 ,连 续 阴雨天 可持 续 三天 供  个
电。  
图 7 逆 变 器 主 程 序 流程 图 

3 . 驱动电路  .2 2

4 结论 
本 文介 绍 了光伏 发 电的基 本原 理 , 此基 础上  在 设计 出一款 符合 项 目要求 的光 伏 系统 , 系统 具 有  该
以下 特 点 :  

MOS E F T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 

( ) 系统 简 单 ,容易 实现 ,成 本也 比较 低 。 1   ( ) 用 体 积 小 、功 能 全 、价 格便 宜 而且 使 用  2 AT GA系列单 片机 作 为控制 芯 片 , ME 从而 简化 了控  制器 电路 设计 ,同时提 高 了 系统 的性价 比。   ( ) 制器具 有 放过 充 、 3控 防反 充 、 短路 保护 、 温  度补偿 等保护 功 能 。   ( )逆 变器 采用 高频 逆变 ,全桥逆 变 电路 和正  4 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 , 要将 控制 电路 产 生的 S WM 信号 放  需 P
大 ,并与 主 电路 隔离 。   考虑 这些 因 素 , 系统 采用 T sia 门为 I B 、 ohb 专 G T 

MOS E 等 门控 隔离 驱动 而设计 的光耦 隔离 驱动 集  FT 成芯 片 T P 5 。 L 2 0 

参考文献 :  

.  

[]许 海 荣 , 史 明 . 分 利 用我 国太 阳能 资 源 开 发 太 阳 能 光  1 钟 充 伏 产业 []沈 阳工 程 学 院 学 报 ( 然 科 学 版 ) 12No , J_ 自 . .. 4  Vo
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性 分 析 [ . 阳能 学报 .o. 3 N ., c, 0 2 p54 J太 ] V 12 . o 5 O t2 0 , .5 .  

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[]胡文涛. 4 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 ..35 . P2 —4  

为 防止T L 5 输 入 侧 出现桥 臂 的上 、 开关 管  P 20 下 的 触 发 信 号 同时 为 正 或 同时 为 负 而 造 成 短 路 ,在  TL5 P 2 0的输入 连 接 上 ,采 用互 锁 式连 接 。这 样 当  T L 5 输 入 侧 出现 桥 臂 的上 、 开关 管 的触 发信 号  P 20 下

[]王 长 贵 , 斯 成 . 阳 能 光 伏 发 电实 用 技 术 [ . 京 : 学  5 王 太 M]北 化 工 业 出版 社 , 0 6 2 0.   []薛 钰 芝 , 力 , 纪 宇 . 阳 能 光 伏技 术 的研 究 与 发 展 [ . 6 张 林 太 J 大  ]
连 铁 道 学 院 学 报 , 1 4 ., c 0 37 —3 vo.   4 2 No De  0 : 7 . 2 2  

第3 卷 O

第4 期

2 0 — 4 [5  08 0   7 1


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