成果介绍：一种可变拓扑结构的太阳能光伏发电系统研究

     作者：郑晓蒙

    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。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

    光伏组件南半导体材料制成的固体光伏电池片组成。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l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输人口的负极，光伏组件2的正极还连接到逆变器6输入口的正极。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。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。

    当dPPV/dUPV=0时，系统处于最大功率点处，即：

    步长表达式：

    式中：D(T)为T时刻的占空比,n为算法步长凋整因子。

    为保证修正变步长MPPT算法按照步长变化规则收敛，则：

    式中：AD(t)㈨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Flag=l，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_[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输人口的正极，光伏组件1的负极连接到逆变器6输人口的负极。由此形成2个光伏组件串联后连接到逆变器输人口的拓扑结构。

    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T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：Lsc为2.8 A，Voc为31.5 V，Im为2.1 A，Vm为50 W;光伏模块拓扑系数在t=0.75 s时由1变为2，在t=1.46 s时又变为1：步长调整因子n=2。仿真实验结果如图5所示一在图中的A点即t=0.75 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t=1.46 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：

    Hq=Hbx+Hdt+H1t   (4)式中：Hq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。

    式中：p为地和物表面反射率；Rb为水平面与倾斜面上直接辐射量之比；p为系统所在地的纬度；hβ。为倾斜光伏板日落时间角：H。为倾斜光伏板日均光伏辐射总量。

    为了检验该系统的功能，在纬度22°49 的中国南宁，安装光伏板的方位角正南偏西15。，倾斜角度15°，光伏转换效率15%的太阳能电池数量为100块，其中每块太阳能电池板面积为1.52m2。系统选用光伏240 W太阳能电池组件，最大功率电压为29.67 V，开路电压37.25 V，最大功率电流为8.09 A，短路电流8.48 A。测定该系统在不同月份的发电量，如表1所示，验证了本系统可以提高发电量。

    5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SC15 F2K61S2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。

    6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。