一种可变拓扑结构的太阳能光伏发电系统研究

收稿日期 2015-05-04 。基金项目 国家自然科学基金项目 （ 51267001 ）。作者简介 海 涛 （ 1963- ）， 男 ， 高级工程师 ， 主要从事自动控制与检测装置及太阳能综合应用的研究 。 E-mail haitao5913163.com一 种 可 变 拓 扑 结 构 的 太 阳 能光 伏 发 电 系 统 研 究海 涛 1， 王 路 1， 李珍珍 1， 吕会荣 2， 张 朝 1， 李朝伟 1（ 1.广西大学 电气工程学院 ， 广西 南宁 530004； 2.浙江师范大学 教师教育学院 ， 浙江 金华 321000）摘 要 文章设计了一种改变光伏板拓扑系数的发电系统 。 以 SC15F2K61S2单片机为控制核心 ， 通过光强传感器检测的光强信号控制继电器的触点 ， 改变光伏板固有的拓扑系数 ， 实现了可变的拓扑结构 。 实验结果表明 ， 此系统提升了传统光伏发电系统功能 ， 提高了光伏发电系统的发电量 ， 具有较高的实用价值 。关键词 光伏发电 ； 可变拓扑 ； 光强检测中图分类号 TM615； TK514 文献标志码 A 文章编号 1671-5292 （ 2015） 10-1465-050 前言太阳能光伏板最大限度地获取太阳能是降低太阳能发电成本 、 延长发电时间 、 增加发电量的有效策略之一 [1][7]。 常规太阳能发电系统的光伏电池拓扑结构通常是固定的 ， 一旦太阳光的强度下降 ，光伏组件的集成单元的输出电压就会相应下降 。当光伏板输出电压低于逆变器的最低输入电压时 ， 逆变器就无法完成对外电网供电 。本文提出一种可变拓扑结构的光伏发电系统 ， 与固定拓扑结构的太阳能光伏组件集成单元相比 ， 其光伏组件的串联数可以根据太阳光的强度进行调整 ， 改变光伏组件的拓扑结构 ， 可以提高传统光伏发电系统的发电量 。1 系统组成本文采用的可变拓扑结构的太阳能光伏发电系统的总体结构如图 1 所示 。该系统主要由拓扑可变的光伏组件 、 太阳光强检测模块 、 控制模块和电源模块 、 继电器 、 驱动电路以及相应的外围电路等组成 。由图 1 可知 ， 当光强检测模块检测到光线时产生光线强度信号 ； 单片机根据信号强度产生相应脉冲信号控制继电器的触点的接通 ； 通过继电器改变太阳能光伏板的串并联结构 ， 使光伏组件的集成单元的输出电压满足逆变器的最低输入电压 ， 提高传统光伏发电系统的发电量 。2 可变拓扑结构的光伏模块设计光伏组件由半导体材料制成的固体光伏电池片组成 [8][10]。 常规的光伏发电系统的拓扑结构通常是固定的 ， 本文在传统发电系统基础上设计了一种可变拓朴结构的发电系统 。2.1 光伏模块设计单组光伏组件模块示意图如图 2 所示 。光伏组件 1 的正极通过继电器的一个常闭触 1465直流负载交流负载光伏逆变器控制器蓄电池组光强检测模块电源模块继电器常开触点继电器常闭触点驱动电路控制模块拓扑可变光伏板图 1 可变拓扑结构光伏发电系统框图Fig.1 Variable topology photovoltaic systemblock diagram1 23456图 2 单组光伏组件模块示意图Fig.2 A photovoltaic module schematic diagram可再生能源Renewable Energy Resources第 33 卷 第 10 期2015 年 10 月Vol.33 No.10Oct. 2015DOI10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2015.10.006点 3 连接到光伏组件 2 的正极 ， 同时还通过继电器的一个常开触点 5 连接到光伏组件 2 的负极 ；光伏组件 1 的负极通过继电器的一个常闭触点 4连接到光伏组件 2 的负极 ， 同时还连接到逆变器6 输入口的负极 ， 光伏组件 2 的正极还连接到逆变器 6 输入口的正极 [4]。 由光伏组件 1， 2， 继电器常闭触点 3， 4， 继电器常开触点 5 构成的单组光伏组件单元 ， 可以多组并联 ， 以扩大系统的发电容量 。2.2 修正变步长增量电导 MPPT 控制法MPPT 可以跟踪光伏板中最大的功率点 ， 减少电器参数产生的冲击 ， 还能提高光伏板发电效率 。 传统的增量电导法为固定步长 （ 开关管的占空比的变化量为步长 ）， 它不能兼顾动态快速跟踪性能和稳态性能 [1]。 因此 ， 本文通过改进增量电导法 ， 将修正变步长增量电导法应用于可变拓扑光伏发电系统中 。修正变步长增量电导法是在每个 MPPT 控制周期中 ， 根据采集到的光伏电池输出电压和电流 ，用控制算法计算相邻两次采集的 dPpv/dUpv 的变化方向再重新调整步长值 ， 改变下次 PWM 占空比 ，使转换电路输出电压快速稳定地达到最大功率点处电压 [1]。当 dPpv/dUpv0 时 ， 系统处于最大功率点处 ，即 dPpvdUpvIpv Upv dI pvdUpv0 （ 1）步长表达式 stepD（ t） -D （ t-1 ） n dPpvdUpv（ 2）式中 D（ t） 为 t 时刻的占空比 ； n 为算法步长调整因子 。为保证修正变步长 MPPT 算法按照步长变化规则收敛 ， 则 n Δ D（ t） maxdPpvdUpv stepΔ Dmax（ 3）式中 Δ D（ t） max 为可变步长的上限值 ， 它由系统初始时的步长确定 ， 作为变步长的上限值 。修正变步长增量电导法的算法流程图如图 3所示 。 设置标志值 Flag， 当系统在最大输出功率点时设 Flag1， 追踪过程中 Flag 默认为 0。2.3 工作原理由太阳光强检测模块检测光强信号 ， 通过判断光强信号是否低于逆变器工作的最低光强预设值 A。 如果不低于预设值 A， 继电器常闭触点工作 ， 光伏组件 1 和光伏组件 2 的正极通过继电器常闭触点 3 连接在一起 ， 光伏组件 1 和光伏组件2 的负极通过继电器常闭触点 4 连接在一起 ， 形成两个组件并联后连接到逆变器输入口的拓扑结构 。 如果低于预设值 A， 高于光强预设值 B， 继电器线圈与电源接通 ， 继电器常开触点工作 。 光伏组件 1 的正极和光伏组件 2 的负极连接在一起 ， 光伏组件 2 的正极连接到逆变器 6 输入口的正极 ，光伏组件 1 的负极连接到逆变器 6 输入口的负极 。 由此形成 2 个光伏组件串联后连接到逆变器输入口的拓扑结构 。通过改变光伏板的拓扑结构 ， 可以提高光伏板输出电压 ， 能使发电系统继续发电 。 当光强低于预设值 B 以及达到预设结束时间时 ， 系统装置都会停止工作 。 其中 ， 预设值 B 为该光伏模块改变拓扑系数也不能使逆变器正常工作的光强值 。3 系统控制算法设计开机后需要判断启动时间是否在所预设工作范围之内 。 若不在预设范围之内 ， 则继续等待 ， 不启动运行系统 ； 若在预设范围之内 ， 系统启动初始化 ， 太阳光强检测模块开始检测光强信号 ， 通过判N开始Flag0采样 U（ t）， I（ t）计算 dU， dI， dP， dutyΔ D（ t） ≤ 0.06 dU0 Flag1dU0Flag0无 变 化无 变 化 Δ D（ t） ≤ 0.06 Flag1dI0d U0dI0dI0D（ t） D（ t-1） step dI/ d U-I/UD（ t） D（ t-1） - step D（ t） D（ t-1 ） step D（ t） D（ t- 1） -step D（ t） D（ t-1） step更 新 电 压 电 流 数 据结 束Y YYYYYNNNNNNN YYN图 3 修正变步长增量电导法算法流程图Fig.3 Algorithm flow chart of modified variable stepincremental conductancemethod可再生能源 2015， 33（ 10） 1466断光强信号是否低于逆变器工作最低光强预设值A。 如果不低于预设值 A， 继电器常闭触点工作 ；反之 ， 继电器常开触点工作 ， 从而改变光伏板的拓扑结构 ， 提高光伏板输出电压 ， 发电系统继续发电 。 当光强低于预设值 B 以及达到预设结束时间后 ， 系统装置都会停止工作 ， 系统流程如图 4 所示 。4 实验及结果4.1 MPPT 仿真实验利 用 修 正 变 步 长 增 量 电 导 MPPT 法 ， 利 用PSIM 仿真软件 ， 在光照强度为 800 W/m2 的条件下 ， 进行仿真实验 。 光伏电池参数 Isc 为 2.8 A， Voc为 31.5 V， I m 为 2.1 A， Vm 为 50 W； 光伏模块拓扑系数在 t0.75 s 时由 1 变为 2， 在 t1.46 s 时又变为 1； 步长调整因子 n2。 仿真实验结果如图 5 所示 。 在图中的 A 点即 t0.75 s 光伏模块拓扑系数增大 ， 经过 6 次步长调整后系统就追踪到最大输出功率 ， 光伏电池输出功率 、 电流和电压恢复稳定输出状态 ， 无明显抖动 。 同样在 B 点即 t1.46 s 光照强度减小后 ， 经过 5 次步长调整后即可追踪到最大输出功率 。 两次光伏模块拓扑系数的变化 ， 均体现出 MPPT 法的稳态性能和快速追踪性能 。4.2 系统发电实验太阳能的接收与太阳能光伏板摆放的倾角有着重要的关系 。 在北半球 ， 朝向正南偏西 15 ， 与水平面成倾角 β 。倾斜光伏板的太阳总辐射量 [3]HqH btHdtHrt （ 4）式中 H q 为由天空散射辐射量 ； Hbt 为直接太阳辐射量 ； Hdt 为地面反射辐射量 。H btRbHb （ 5）HdtHd[ H bH0R00.5（ 1- H bH0）（ 1cosβ ） ] （ 6）Hrt0.5ρ H（ 1-cosβ ） （ 7）H0 24π Isc[10.033cos（ 360n365 ） ] [cosφ cosδ sinhβ 2π h360 sinφ sinδ ] （ 8）Rbcos（ φ - β ） cosδ sinhβ （ π180 ） hβ sin（ φ - β ） sinδcosφ cosδ sinhβ （ π180 ） sinφ sinδ（ 9）海 涛 ， 等 一种可变拓扑结构的太阳能光伏发电系统研究 1467开 始等 待启 动 时 间 到系 统 初 始 化光 强 度 检 测光 强 度 AMCU 发 出 信 号常 闭 触 点 接 通发 电 系 统 运 行结 束 时 间 到结 束光强度 B光伏板变拓扑结构常 开 触 点 接 通MCU 发 出 信 号YNYYYNN图 4 可变拓扑光伏发电系统控制算法流程图Fig.4 Algorithm flow chart of photovoltaic power generationsystem with variable topology0 1.0 2.0t/s电压/V 201.00 1.0 2.0t/sAB功率/W 45250 1.0 2.0t/s电流/A 2.01.51.00 1.0 2.0t/s占空比 0.560.520.48（ a） 光伏板功率（ b） 光伏板电流（ c） 光伏板电压（ d） 占空比图 5 修正变步长法 MPPT 仿真结果图Fig.5 Modified variable step MPPT simulation5 结束语本文设计了一种能够改变光伏板拓扑系数的发电系统 ， 该系统以 SC15F2K61S2 单片机作为核心 ， 根据光强传感器 TSL2561 检测光强信 号 强度 ， 由单片机触发继电器的触点来改变光伏板固有的拓扑系数 ， 实现了可变拓朴光伏发电系统 。 实验结果表明 ， 此系统提升了传统光伏发电系统性能 ， 提高了发电量 。 本系统制作成本低 ， 具有较高的实用价值 。参考文献 [1] 海 涛 ， 朱 浩 ， 石 磊 ， 等 .一 种 带 MPPT 的 车 载 太 阳 能 充电系统设计 [J].可再生能源 ， 2015， 33（ 1） 21-26.[1] Hai Tao， Zhu Hao， Shi Lei， et al.Design for a type ofvehicle -mounted solar charging system with MPPT[J].Renewable Energy Resources， 2015， 33（ 1） 21-26.[2] 杨明慧 ， 杨鹏 ， 史旺旺 .基于 TSL2561 的无线光强传感器节点设计 [J].新器件新技术 ， 2010（ 6） 38-40.[2] Yang Minghui ， Yang Peng， Shi Wangwang. 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According to the signal from light intensity sensorTSL2561, asingle-chip microcomputer SC15F2K61S2 drives relays to changethe photovoltaic panels topology ofphotovoltaic power generationsystem.Experimental results showthat this systemenhancesphotovoltaicpower generation system， increasesthe capacity of photovoltaic power generation system,reduces theproduction cost of the system， which hashigh practical value.Key words photovoltaic power generation； the variable topology； light intensity detection445-447.[8] F J SantosAlamillos ， D PozoVazquez， J A Ruiz Arias，et al.Combining wind farms with concentrating solarplants to provide stable renewable power[J].RenewableEnergy， 2015（ 76） 539-550.[9] Mathiesen BV ， Lund H， Karlsson K.100 renewableenergy systems， climate mitigation and economic growth[J].Appl Energy， 2011， 88（ 2） 488-501.[10] JacobsonMZ， Delucchi MA. 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