MPPT的光伏并網系統在家用空調器中的應用

太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源。在全球環境污染和能源危機日益嚴重的今天，研究太陽能利用對緩解能源危機、保護生態環境和保證經濟的可持續發展具有重要意義。目前，由于我國光伏技術與世界先進國家相比仍有不少的差距，且建立大型的獨立光伏電站運行成本較高，因此，開發戶用光伏并網系統顯得刻不容緩。此外，家庭能源的消耗中，空調在夏季的耗電量特別大，并且，在一天中自晝的負荷呈尖峰態，其負荷變化的規律與太陽電池的輸出十分一致。對市電供電系統來說起到平峰作用。因此，基于空調器的這個特點，本文提出將戶用光伏發電系統和空調結合在一起的設計思想。其工作原理是太陽能轉化為電能送至空調中，進而給空調器供電。當停開空調時，還可將太陽電池的電能反饋到電網，使太陽能得到充分利用。在太陽能轉移過程中，本文引入最大功率點跟蹤的方法，使光伏陣列始終保持在最大輸出功率，文章中對這種方法進行了詳細的分析。國內對于太陽能空調系統的研究還不是很多，但是，根據國外市場信息，相信國內將來也會有廣闊的應用前景。

2 光伏發電系統的工作原理

2.1 系統的組成

系統的主電路如圖1所示。

對于整個系統而言，空調器的用電既可由光伏陣列供電，也可以由電網供電。并網逆變器將光伏陣列產生的直流電能轉化為和電網電壓同頻同相的交流電能，向空調器供電。白天，當光伏系統產生的交流電能超過空調電能所需時，超過部分饋送給電網；其他時間，當空調大于光伏系統產生的交流電能時，電網自動向負載提供補充電能。

圖1是光伏發電系統的主電路圖，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模式下，后一部分是逆變的過程。在光伏發電電路中，Buck-Boost變換器由S1，S2，Lp和D1組成。他的作用是結合最大功率點跟蹤對輸出電流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作為對空調器供電電路的輸入電流。最大功率點跟蹤是基于對S1的開關頻率調制來完成的。

在Buck-Boost電路中，當S1開通，S2和D1關斷，Lp存儲能量，當S1關斷，D1和S2開通，存儲在Lp和Cdc的能量將轉移輸出，在開關周期Ts期間，S2的開關斷是通過比較io和給定電流i'ac,reg的關系來控制的。

Lp作為臨時存儲能量的緩沖器，如果光伏陣列輸出功率高于空調器的吸收的功率，存儲在Lp中的能量將在S2關斷后通過LS和D2轉移到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半周期。當S2和D1開通時，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器上的高頻電流成分，實現逆變器輸出平滑的正弦波。

2.2 光伏電池的輸出特性

在光伏發電系統中太陽電池直接將太陽能轉變成電能，太陽電池的輸出由多種因素決定，如日照情況、溫度等，在不同的環境中，太陽電池的輸出曲線是不同的，相應的最大功率點也不同。日照越強，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，曲線上任一點處的功率為P=UI，其值除與U，I有關外，還與日照(S)、太陽電池溫度等有關。由圖2(b)進一步可知，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，為了提高本系統的工作效率，必須盡可能地使太陽電池工作在最大功率點處，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點分別對應不同日照時的最大功率點。

2.3 太陽電池的最大功率點跟蹤

太陽能電池的最大功率點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跟蹤是基于對開關頻率S1的調制。開關S1的PWM信號是由低頻信號調制。太陽能電池的模型可以用圖3電路等效。

Vg作為電源，rg作為電池的內阻，Vg和rg都受到日照強度和溫度的影響，轉換器的輸入電壓和輸入電阻用Vin和rin表示。假設100％的轉換效率。

2.4 系統的硬件實現

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的特點，又具有優于通用微處理器對數字信號處理的運算能力。他采用改進型哈佛結構，多組總線技術實現并行運行機制，還有專門的乘法累加器結構，以及提供了非常靈活的指令系統，這一切都極大地增加了運算速度，也提高系統的靈活性。

為此，他完成的任務主要有以下幾個方面：

(1)采集直流、交流電壓和蓄電池電壓等模擬量用監測和控制；

(2)向功率器件驅動板提供用軟件產生的脈寬和頻率可實時改變的PWM信號；

(3)與人機界面之間進行實時交互通信，接收并發送需要現實的系統狀態參數；

(4)接受功率器件那提供的過流、過壓保護信號，實現自動保護功能。

系統的硬件框圖如圖4所示：

3 仿真結果

基于上述最大功率點跟蹤的理論研究，為了驗證方案正確性，采用Matlab軟件對光伏發電電路部分進行仿真分析。采用變步長的ode23tb仿真。從0 s開始仿真，仿真時間設為0.1 s。最大功率點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℃設置好各模塊仿真參數后，即可仿真。

圖5為帶有MPPT的光伏發電系統經過逆變器後變為交流電，再經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，且功率因數為接近1。

4 結語

最大功率跟蹤功能的設計，尤其是在溫差變化較大場合，能有效提升太陽能電池的輸出功率，充分利用了能源。通過仿真結果還可以看出，光伏發電電路的設計具有很好的穩定性，從而驗證了方案的正確性。并且由于采用TMS320F2407控制，使整個系統的可控性提高，可以更好的協調前后兩級的控制關系。