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基于单片机的低成本高效率单相光伏发电系统
Lotfi Khemissi , Brahim Khiari , Ridha Andoulsi , Adnane Cherif
能源研究中心（CRTEn），Borj Cedria科技园，Hammam Lif 2050，突尼斯科学院，突尼斯El Manar大学
摘要
本文介绍了一个单相光电转换系统的理论和实践研究。它由一个将从光伏发电机（PVG）可获得的最大功率给电池充电的降压转换器和一个产生具有较低总谐波失真（THD）的稳定AC电压（220 V/50 Hz）单相电压源逆变器（VSI）组成
一个新的扰动观察法在一个价格较低的单片机PIC16F876设计并实现，该单片机选择了占空比扰动和采样周期，保证了光伏系统在最大功率附近的稳定性。逆变器采用的控制策略是选择性消谐脉宽调制（PWM）。脉冲在PIC16F876的储存器上计算和转移。采用这种技术，逆变器损耗减少，输出电压很容易用一个简单的低通滤波器滤波，产生完美的正弦波形电压。 电池大小适合在非晴天提供负载。电池型号适用于阴天的情况。随着各种元件的优化，成本低、效率高传统的单相光伏系统也具有了良好的电能质量，使得它有了在独立的光伏应用（例如房屋照明）中良好应用的条件。本文已经制作了一个实验系统来演示光伏系统的效率并在Matlab-Simulink环境下的仿真验证。
关键词：光伏发电机; 降压转换器;最大功率点跟踪（MPPT）;单相逆变器;选择性谐波脉宽调制;电容器
- 引言
由于传统能源成本上涨以及资源有限，光伏能源成为一种有前途的能源，具有诸如无污染和世界上任何地方均可大量供应的优势。目前，特别是在气候条件良好的地区，太阳能应受到了极大关注。在这些应用中，我们特别注意到一些与外界隔绝的地区的供水和照明。
本文的目的是开发一种光伏系统，高效率且低成本的从非线性光伏发电机（PVG）提供稳定的AC电压（220V/50Hz）。
首先，光伏发电机通过由微控制器16F876控制的降压转换器对电池进行再充电，以利用新的干扰和观测算法跟踪来自PVG的最大功率，然后单相电压源逆变器（VSI）将电池电压（24 V）与简单的低通滤波器和升压变压器相关联后输出稳定的交流电压（220V/50Hz）。
本文的简写代指：
PVG光伏发电机
VSI电压源逆变器
THD总谐波失真
SHE PWM选择性谐波消除了脉宽调制
MPPT最大功率点跟踪
PO扰动观测算法
光伏发电机的Iph光电流（A）
电池反向饱和电流（A）
K Boltzman常数（1.38 1023 J K1）
KT电池的温度系数（55 e4 K1）
温度以开尔文（K），
G照射（W/m2）
A相对于温度的常数（0.06 A K3）
q电子电荷（1.6 1019 C）
Eg带隙（V）
B连接点的理想因子
ns串联的电池数目
np并联的电池数量
Rs电池串联电阻（X）
Rsh单元分流电阻（X）
Varray 阵列的电压（V）
Iarray阵列电流（A）
Voc PVG的开路电压（V）
Isc PVG的短路电流（A）
PVG最大功率下的Vmp电压（V）
Imp最大功率下的PVG电流（A）
D（k）在k采样时DC-DC转换器的占空比
D0占空比初始化
I（k）k采样时的PVG输出电流
V（k）k采样时的PVG电压
P（k）k采样时的PVG功率
Dd占空比扰动
CCM连续导通模式
L DC/DC转换器的电感（H）
C DC/DC转换器的电器（F）
DiLmax电感电流的最大峰峰值纹波（A）
DVsmax DC-DC转换器的峰峰值纹波输出电压的最大值（V）
fs 开关频率（Hz）
Cpv 输入电容（F）
Dm 最大转换器输出功率下的占空比
Iom 最大输出功率下的直流/直流输出电流DC分量（A）
Rpm 最大功率点处的PV阵列内阻（X）
Rpv 简化PVG模型的等效电阻（X）
D 占空比
Upv; ipv; d PVG电压的变化值，PVG电流和转换器的占空比DC-DC转换器输出电流（A）的小变化变化值
Cf 滤波电容（H）
Lf 滤波电感
MPPT效率
PV 发电机的准确测量功率（W）
Pmax 在给定的辐照度和温度下，PV发电机可以产生的最大功率（W）
Rds Mosfet阻抗（X）
PMosfet Mosfet损耗（W）
tr 上升时间（s）
tf 下降时间（s）
Qgate 反向恢复电荷（C）
Vd 正向电压降（V）
Rcu 电感电阻（X）
Pcore 电感器磁芯损耗（W）
计算逆变器脉冲以消除5至9阶谐波，然后储存于在PIC 16F876存储器中。 所设计的交流光伏系统可以成为家庭应用的最佳解决方案，因为它们的组件大小适中，可以减少损失，从而降低系统的整体价格。
在Akkaya和Kulaksiz2004年中的文章中，作者开发了一种高效率的AC光伏系统，但他们已经使用了基于步进电机的太阳能追踪器来提高系统的效率，然而这种解决方案比使用最大功率点跟踪（MPPT）算法增加了成本，以独立于气候条件来匹配PVG的最大功率。
在文献中，作者开发了几种算法来从PVG中提取最大功率点（MPP），例如增量电导（INC），扰动和观测（PO）和模糊逻辑（FL）程序在周围工作点的稳定性不同最佳点。在Lalouniet等人2009的文章中，作者提出了一种基于模糊控制器的方法来提取MPP并显着降低操作点周围的振荡，然而这种方法需要先进的控制平台。 INC和PO是实践中最常用的两种算法，第一种更适应突变的气候变化，但它需要更长的计算时间。
在PO算法中，检测PVG电流和电压，然后根据在k采样和k 1采样处的PVG输出功率之间的差异的符号来计算PVG功率，占空比改变，然后PI控制器调节输出电压或电流达到其参考值。这种方法可以通过使用带PWM输出的微控制器来改进，在这种情况下控制器被省略并且控制输出变量是占空比。
Koutroulis等人于2001的文章中使用低成本的的微控制器上的PO算法来替代Hua等人使用DSP平台开发转换器;这样光伏输出功率增加15％。在Alberto等人2009的文章中，基于微控制器的新电池充电开发，输出功率增加25％，MPPT法的效率达到了95％。
然而，这种方法使用模拟控制来达到最佳电流参考，这会影响系统在突然气候变化情况下跟踪MPP的速度。
在Salas等人2005文章中，作者提出了一种带有微控制器的电池充电应用，只有PVG电流被感测，从而降低了整体价格，效率提高了18.5％，但占空比扰动需要根据Feimia等人在2005的文章中提出的一种PO占空比和采样周期变化的优化方法，从而保证了MPP的跟踪，即使是突然的变化，也能保证系统的稳定性。发生辐照（50W/m2）。在Tarik Duru于2006年的文章中，基于Impp=f（Pmax）函数的最大功率跟踪得以实现。这种方法需要不同辐照度的PVG的Pmax和Impp的预定实验值。通过这种方法，一旦PVG模块配置发生变化，必须更换已实现的电路，最大功率点周围的振荡相当可观。
本文使用了一种新的PO算法。根据系统稳定性选择占空比扰动和PVG电压和电流的采样周期，而对输出功率进行的新测试迫使系统在MPP附近工作（100 W/m2/s）减少损失并提高系统的效率。
微控制器控制DC-DC转换器提供了适合光伏用户的技术和经济解决方案，以克服PV面板的高成本。事实上，微控制器可以灵活地改变实时最大功率控制算法，而无需进一步改变硬件，并通过PWM输出切换转换器。实验系统在第2节中描述。除非电池充满电，否则DC-DC转换器将工作.DC-AC阶段基于SHE PWM方法。 采用这种技术，功率Mosfet的开关较少，从而降低了开关损耗。 这种VSI逆变器可以扩展到并网应用，如Maris等人所述,因为逆变器电压和电网之间的相移由开关脉冲完成，并且实际功率流被完全控制。
2.光伏转换系统的描述
2.1。 光伏发电机简述
光伏电池由将阳光直接转换为电力的半导体材料组成。 其等效电路如图1所示。
光伏电池的电模型包括串联电阻Rs和分流电阻器Rsh。 这些电阻对电池的I-V特性有一些影响。串联电阻是电池的内阻，它取决于半导体的电阻。 分流电阻是由于连接处的泄漏。 光伏电池的I-V特性由以下等式决定：
其中Iph是光电流Is是二极管的反向饱和电流，K是玻尔兹曼常数（1.38times;1023J / K），q是电子的电荷（1.6times;1019C），B是结的理想因子，T 是开尔文的温度。 光电流Iph取决于温度和照射，而二极管的反向饱和电流仅取决于温度。
其中G，Isc，KT，Eg，A分别表示光伏电池的短路电流，温度系数，带隙和相对于温度的常数的辐照。
光伏组件是所有光伏系统的基本组件; 它们可以串联连接以增加其工作电压并且可以并联增加其电流。 这一套被称为光伏发电机（PVG）。 从图1推导出PV模块的等效电路（图2）。PV模块的电流 - 电压等式写为：
其中ns是串联的单元数，np是并联的单元数。
2.2 降压转换器的研究
在1000 W/m2和25 C时最大功率为277 W的热电发电机，使用降压转换器以PVG的最大功率为电池充电，并防止过充。
降压转换器的选择是合理的，因为电池电压（24 V）小于最大功率57 V时的PVG电压。在其他情况下，当负载是纯电阻（RL）时，DC-DC转换器拓扑必须 根据RL-RPM的符号进行选择，其中RPM代表最大功率时的内部PVG电阻。 确保直流母线和交流母线之间接口的电压源逆变器由SHE PWM控制。然后将逆变器与低通滤波器相关联，以消除更高的谐波，并将升压变压器馈入负载。图3系统的仿真由Matlab-Simulink完成。 MPPT控制方法的目标是在任何气候条件下从光伏发电机中提取最大功率。为了解释这个事实，我们比较了两个PV电池充电应用，第一个系统是没有MPPT算法的良好设计光伏系统，第二个系统配备MPPT跟踪算法（图5）。假设两个系统在25℃（A1点）具有相同的功率，当温度升至40℃时，第一个系统在B1点运行，而第二个系统在B2点运行，最后当温度达到50℃时，第一个系统在C1点工作，第二个系统在C2点工作，第二个系统从PVG提取的功率分别大于4％和17％（图6和7）。本文使用了一种新的扰动和观察（PO）算法（图8）。选择采样周期和占空比变化（Dd）以减少最大功率点（MPP）周围的振荡次数和振幅。
为了在突然气候变化（100 W/m2/s）的情况下执行该算法，每次占空比变化后都会使用新的测试。 根据图4，照射的突然变化使PO不太精确，因为DP = PB PA是在两个不同的照射水平下计算的，而且工作点远离MPP移动（图4b）。 如果DP大于适当的阈值，则意味着在这种情况下发生了辐照的突然变化，并且基于最大功率点处的工作电压与辐照无关的假设，DC-DC转换器被重新初始化 占空比D0 = Vmp/Vbattery，使系统在MPP附近运行，从而减少功率损耗。
本文使用的光伏阵列在标准条件下（G = 1000 W/m2和T=25 C）具有表1所示的特性。
选择DC-DC转换器工作在连续导通模式（CCM）下，选择电感将纹波输出电流限制在平均值的10％以下，选择输出电容以将输出电压变化限制在1％。
电感和电容可以估为：
此处所选的值为：L=1.2mH和C=60lF。其中Vpv是PVG输出电压，Vmp是PVG在最大功率时的输出电压;DiLmax电感电流的最大峰峰值纹波;fs是开关频率，DVsmax是DC-DC转换器的峰 - 峰纹波输出电压的最大值。考虑到PV输出电流的纹波必须小于其平均值的2％，输入电容按照Koutroulis et al于2001的文章给出：
其中Dm是最大转换器输出功率下的占空比，Iom是最大输出功率时DC-DC转换器输出电流的DC分量，Ipm PVG最大输出功率下的转换器输入电流，Rpm是 最大功率点。
PO算法的缺点是其在最大功率点（MPP）附近的振荡。 在本文中，MPP周围的线性化可以很好地选择采样周期T. T的选择是绕最大功率振荡的次数，系统稳定性和算法速度之间的折中。
为此，如Koutroulis等人所述，PVG可以通过与Rpv串联的电压源Vpv建模。
MPP周围的小变化导致写入从中选择采样周期的两个传递函数。 这些功能是控制责任传递函数（Gvd）和责任到电流传递函数（Gid）。
其中Vpv，ipv，d和io分别表示MPP周围的GPV电压，电流，占空比和DC-DC转换器输出电流的变化值化。
由于PVG电压的增加伴随着PVG电流的减小，所以Gid具有Gvd的相反符号（Villalva和Filho，2008）。
这两个传递函数描述了二阶系统（图
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