光伏并网发电实验系统设计概要.docx

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光伏并网发电实验系统设计概要

光伏并网发电实验系统设计

刘佐濂，杨　汝，何清平，崔海霞

（广州大学物理与电子工程学院，广东广州　５１０００６

）摘　要：

设计开发了１套光伏并网发电实验系统。

该系统由太阳能电池板及控制器、模拟负载、ＰＣ机和参数测量设备组成，系统可独立运行和模拟并网运行，控制器电路采用ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ架构，实验装置可以测量系统的最大功率点跟踪能力、频率跟踪能力、逆变器的效率和逆变器的失真度等重要指标，具有二次开发功能，适合学生开展设计性实验。

系统采用开放形式，直观性好，针对性强，结构原理清楚。

关键词：

光伏并网发电；实验系统；ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ架构；最大功率点跟踪

中图分类号：

Ｇ６４２．４２３　　文献标志码：

Ａ　　文章编号：

１００２－

４９５６（２０１１）１０－００７４－０４Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｇ

ｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｇ

ｅｎｅｒａｔｉｏｎＬｉｕ　Ｚｕｏｌｉａｎ，Ｙａｎｇ　

Ｒｕ，Ｈｅ　Ｑｉｎｇｐｉｎｇ，Ｃｕｉ　Ｈａｉｘｉａ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５０１００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：

Ａ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ　ｃｏｎｓｉｓｔｓ　ｏｆｓｏｌａｒ　ｐａｎｅｌｓ，ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ｌｏａｄ，ＰＣ　ａｎｄ　ａ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｏｐｅｒａｔｅ　ｉｎｄｅｐｅｎｄ－ｅｎｔｌｙ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｓｏｍｅ　ｉｍ－ｐｏｒｔａｎｔ　ｉｎｄｅｘｅｓ　ａｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｔｒａｃｋｉｎｇ，ｔｈｅ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｅｔｃ．Ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｄｅｖｅｌｏ－ｐｉｎｇ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｕｉｔｓ　ｓｔｕｄｅｎｔｓ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｐｐｌｉｅｓ　ｏｐｅｎｆｏｒｍ；ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｇｏｏｄ　ｖｉｓｕａｌｉｔｙ，ｓｔｒｏｎｇ　

ｒｅｌｅｖａｎｃｅ　ａｎｄ　ｃｌｅａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：

ｇｒｉｄ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ；ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍａｘｉ－ｍｕｍ　ｐｏｗｅｒ　ｐｏｉｎｔ　ｔｒａｃｋｉｎｇ

收稿日期：

２０１０－１２－０６

基金项目：

广州大学自制仪器设备项目（２０１０００１

）：

９男广东广，硕士，高验师，光电信．

　　在太阳能光电转换方面的专家预测太阳能光伏

产业在２１世纪前半期将超过核电成为最重要的基础能源之一。

现今工业上太阳能电池的生产和光电转换控制技术已经较为成熟，但不能用在实验教学上，

因为工业设备系统不开放，没有具体的实验原理，电路没有具体的测试端子，难以培养学生的动手

能力和创新思维［

１－

２］。

因此十分需要一种光伏并网发电实验系统来帮助学生理解系统的控制原理和系统的软硬件结构。

本文研制了一套光伏并网发电的实验模拟系统，系统充分考虑了学生实验操作的安全性，使逆变器交流输出低于安全电压，同时系统采取模拟并网的方式，使学生实验时增加操作的安全性。

实验装置可以测量系统最大功率点跟踪

（ＭＰＰＴ）

能力、频率跟踪能力、逆变器的效率和逆变器的失真度等重要指标，系统具有二次开发功能，适合学生开展设计性实验。

１　实验系统的结构组成

该实验系统能让学生清楚地了解光伏并网发电原理和全过程，设计框图如图１所示。

系统可工作于独立运行和模拟并网运行两种方式。

ＭＰＰＴ电路和交流逆变电路采用ＤＣ／ＤＣ／ＡＣ架构，其中ＤＣ／ＤＣ采用Ｂｏｏｓｔ电路拓扑，ＤＣ／ＡＣ采用四开关管桥式逆变结构。

系统主要包括２块１００Ｗ串联的太阳能电池板（每块电池板最大开路电压为１６．５Ｖ）、基于ＡＲＭ７架构的单片机核心控制器、ＤＣ／ＤＣ电路、ＤＣ／ＡＣ逆变电路、上位机和实验测量仪器（数字示波器、失真度测量仪、数字万用表等）。

太阳能电池板输出的１０．５～直流到／电／电完

ＤＣＣ１５Ｖ

ＣＮ１１－２０３４／Ｔ　　　　　　　　　　　实　验　技　术　与　管　理Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　

Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　　　　　　第２８卷　第１０期　２０１１年１０月Ｖｏｌ．２８　Ｎｏ．１０　Ｏｃｔ．２０１１

母线电压送到逆变电路，由逆变电路变成３０Ｖ、５０Ｈｚ的交流电压，最后送入模拟电网负载。

控制器设计有ＲＳ　

２３２接口，可以把系统相关的数据（如：

太阳能电池输出电压、电流、ＭＰＰＴ输出电压、电流、负载数据等）上传到上位机，并可以通过上位机控制控制器工作或修改相关的参数

。

图１　实验系统结构框图

２　核心硬件电路设计

２．１　ＤＣ／ＤＣ电路

电路如图２所示。

在ＤＣ／ＤＣ电路中有２个电流闭环控制器件，型号为ＭＡＸ４０８０，

其中１个用于太阳能电池板输出电流监测，

控制器输出的电流与电阻Ｒ２、Ｒ２０的分压电路输出的电压分别送到ＬＭ３Ｓ６１８

的ＡＤＣ０和ＡＤＣ１，完成太阳能电池板实时输出电压和电流的监测，为ＭＰＰＴ跟踪提供实时数据；另一个电流闭环控制器件主要完成升压后直流母线的电流监测，与Ｒ２１、Ｒ３的分压电路输出的电压分别送到

ＬＭ３Ｓ６１８的ＡＤＣ５和ＡＤＣ４，以完成逆变器直流侧的电流电压稳定。

Ｌ１、Ｑ１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ２、Ｄ２１、Ｄ１、Ｒ２８、Ｒ４２、Ｃ４６组成Ｂｏｏｓｔ拓扑的ＤＣ／ＤＣ电路。

ＭＰＰＴ

ＰＷＭ脉冲从ＬＭ３Ｓ６１８的３６脚输出，

单片机根据两路闭环电流电压的大小进行算法运算，最终调节脉冲占空比并完成最大功率点的跟踪

。

图２　ＤＣ／ＤＣ电路图

２．２　核心控制电路

核心控制电路如图３所示。

该电路主控ＣＰＵ采用ＬＭ３Ｓ６１８的ＡＲＭ　Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核控制器，支持最大主频为５０ＭＨｚ和３２ＫＢ　ＦＬＡＳＨ，８ＫＢ　ＳＲＡＭ、集成正交编码器、ＡＤＣ、带死区ＰＷＭ、温度传感器、模拟比较器、ＵＡＲＴ、ＳＳＩ、通用定时器、Ｉ２Ｃ、ＣＣＰ等外设。

系统人机交换界面有两部分，ＬＣＤ显示界面显示太阳能电池板的输出电压和逆变器输出的电压及逆变器的效率，上位机通过串口与单片机进行通信，实现远程监控电池板的输出功率、逆变器输出功率、保护状态和调节系统工作状态等。

ＬＭ３Ｓ６１８通过调节ＰＷＭ信号的占空比从而调节Ｂｏｏｓｔ电路的开关状态，使电池板输出功率达到最大值，实现最大功率点跟踪。

系

统采用逐次逼近法［３－

４］，不断地改变ＰＷＭ信号的占空

比，实时监测太阳能电池板的输出功率，不断地把前次输出与下次输出的功率进行比较，当电池板的输出功率增大时减少ＰＷＭ信号的占空比，否则向反方向调节０。

进行二次开发，从而有利于学生开展设计性实验。

系统具备声光报警功能，如果出现过压或过流、超限时，相应的发光二极管闪烁以及蜂鸣器报警。

２．３　ＤＣ／ＡＣ电路

系统的ＤＣ／ＡＣ电路主要包括“馒头波”产生电路、５０Ｈｚ方波产生电路、ＳＰＷＭ发生器、延迟电路、电流电压检测电路和全桥功率电路等组成，电路的设计结构直接影响系统的输出波形和效率。

ＤＣ／ＡＣ电

路原理框图如图４所示。

“馒头波”产生电路见图５。

在馒头波产生电路中，输入信号可以通过开关ＳＷ１选择，当系统处于独立发电时开关接到５０Ｈｚ的文氏电桥电路，当要模拟并网发电时开关接到模拟电网输入端。

信号通过Ｃ５５耦合到运放Ｕ９Ａ完成阻抗变换，再送到由Ｕ１２Ａ、Ｕ１２Ｂ、Ｕ１０Ａ组成的零电平整流电路把５０Ｈｚ的交流信号整流成馒头波，最后把信号送到加法器Ｕ１０Ｂ、把馒头波信号电平抬高２．５Ｖ后再送到ＳＧ３５２５芯片的，ＳＰＷＭ。

５

７刘佐濂，等：

光伏并网发电实验系统设计

图３　

核心控制电路图

图４　ＤＣ／ＡＣ电路原理框图

　　图６为全桥逆变电路图。

从Ｓ

Ｇ３５２５１３脚输出的ＳＰＷＭ信号通过与非门选通，然后送到延迟电路对信号进行延迟，信号最后送到全桥逆变电路逆变成峰峰值为３０Ｖ、５０Ｈｚ交流信号后再接到模拟电

网负载［５］

。

输出的交流电压在安全电压之内，便于

学生动手操作

。

　６７实　验　技　术　与　管　理

图６　全桥逆变电路图

２．４　系统软件设计

系统上电后先检测太阳能电池板输出的电压和电流值，看是否符合ＤＣ／ＤＣ电路输入设定值的范围。

如果不符合，通过单片机关闭ＤＣ／ＤＣ电路的输出，启动报警和显示电路；如果在设定范围之内，则系统启动交流输出，同时把监测到的电池板的输出电压、电流值进行功率运算，并启动最大功率点的控制。

系统有完善的软硬件保护功能，使系统运行于安全状态。

控制软件可通过ＪＴＡＧ口下载，可让学生在实验过程中进行编程训练。

程序流程见图７。

３　结束语

面向学生设计性实验的光伏并网发电模拟实验装置解决了工业系统开放性不好、实验原理欠缺、系统不能安全操作等问题。

系统采取的人机交换界面清晰可调，算

法程序可二次开发，能很好的培养学生的动手能力［６－

７］、创

新思维和创新能力；ＰＣＢ板采用模块功能分割，测试点设计合理，其外观设计成实验箱方式，具有工作稳定可靠、效率高、输出波形失真度小和功能齐全的优点。

参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ

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电源

，２，（２）：

－

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图７　程序流程图

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实验室研究与探索，２０１０，２９（６）：

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清华大学出版社，２００８（１）

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７刘佐濂，等：

光伏并网发电实验系统设计