一种多用途离网光伏电源系统的设计与实现

作者:周用;李绍武 刊名:湖北民族大学学报:自然科学版 上传者:张刚

【摘要】偏远山区和旅游景区地带由于远离城市中心电网;通常缺乏可靠的电力供应来维持基本的用电需求.为了解决这一问题;本文设计并实现了一种以STM32单片机为控制核心的离网型光伏电源.其设计重点是光伏电源系统的模型架构和功能设计.本系统可满足生活照明、灌溉、调温、可移动式便民设备等诸多系统的供电需求.同时;便携式的设计有利于系统扩容和拆卸;最大功率跟踪功能保证了系统良好的电能利用率.最后;实物测试表明:本系统供电稳定;能使各种负载保持良好的运行状态.

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光伏系统以绿色环保、清洁可再生著称,是当前较为理想的发电方式之一.同时,中国出台了“光伏扶贫”的民生政策,用以改善农村粗放用能模式、缓解能源紧缺局面、促进能源结构优化和可持续发展[1-2].传统电网向缺电的偏远地区送电,往往费时费力且需架设线杆、破坏生态环境,而小型离网光伏系统成本低且安装方便[3-5].为此,本文将对多用途离网光伏电源进行设计并完成实物制作与测试,以期设备能在向阳处独立运行并提供稳定可靠的电能.研究过程中将针对该设备的控制环节依据现有MPPT理论给出合理的设计方案.多用途光伏电源设备的设计与实现是设计山区光伏发电系统的前提条件.文中将结合山区旅游景点的建筑特点来设计光伏系统的应用结构.通过多用途光伏电源系统,景区内的各类公用设施也能独立获取灵活便捷、成本低廉的电能,进而实现节能减排的目的.1系统整体构架的设计图1所示的光伏系统是以单台离网光伏电源设备为控制和输出核心的独立发电单元,图1中分别设计了光伏PV模块、电源设备模块、用电负荷模块、储能系统模块,并标注了电能与控制信号流向.为了降低设备电能损耗,设备模块选用低功耗的STM32单片机作为主控制器[6-7].通过其A/D转换单元采集逆变器的输出信号,然后产生所需的PWM波及SPWM波以控制DC/DC转换器和逆变器,同时作为光伏PV模块中的MPPT控制器实现最大功率点的实时跟踪.图1中,n个光伏PV模块PV1~PVn并联在一起,采用直流母线汇流方式为光伏电源设备提供充足的电能.在系统设计过程中,综合考虑安全电压及光伏阵列最大功率点处电压等因素,直流母线电压设定为36 V.为了实现光伏电池对直流母线的电能最大传输,MPPT控制器向每个DC/DC变换器(Boost)分别输出占空比可调的驱动信号,从而使每个光伏PV模块工作于最大功率点.电源设备模块的主控制器能实现自适应闭环调节,使母线直流电经升压、逆变环节,转换成可供多台常用电器负荷使用的工频交流电.系统选配额定工作电压为24 V的铅酸蓄电池组,有助于维持母线电压的稳定.控制器中设置储能识别系统,在阳光辐照量充沛且电量富余的情况对蓄电池充电储能,以应对夜间及阴雨天气的间歇性影响.系统预留了并网插口,当系统的使用环境能够满足并网条件时,主控制器的锁相环程序能控制系统稳定地向电网侧传输能量.图1光伏系统的设计图Fig.1 The design of the photovoltaic power system图2多个单元系统的布局与控制模式图Fig.2 The layout and control the modeof multi-unit power system本文设计实现的光伏电源设备支持多台同时运行,由于扩展了光伏发电系统的容量,在大功率集中用电的场合也能实现用户的“即插即用”效果.为了匹配负荷的用电需求,依据实际情况,可以在“任意地点、任意时刻”将光伏电池板PV的数量进行增减装卸.多个光伏电源设备可以配置多个发电单元的光伏系统.由于每台光伏电源设备设有对外的控制接口,均能向外发出独立的MPPT及储能控制信号.因此,该系统中的每个独立单元能分别适应不同的光伏板辐照度及不同的负载分布情况.多个光伏发电单元的布局可以实现给不同的用户分别进行独立供电的模式.其中最为典型的方式是为旅游景区的建筑房间设计光伏系统布局,如图2所示.在该系统中光伏板可按照最佳倾角统一选址安装,建筑的每个用户的房间都可以获得一台或多台光伏电源提供的电力.2模块式光伏电源的设计本文设计的单相离网型光伏电源的模块包括:①过压过流保护装置;②Boost升压转换器;③逆变

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