摘 要： 針對(duì)現(xiàn)有光伏控制器控制模式的不足,，提出一種精粗調(diào)組合實(shí)現(xiàn)的新型PWM精確控制方法，將太陽(yáng)能電池分成N個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能子陣,，只令一路子陣采用PWM控制作為精調(diào),，其余子陣采用普通開(kāi)關(guān)控制作為粗調(diào)，具有控制電流精度高,、穩(wěn)壓效果好,、動(dòng)態(tài)熱損耗小、體積和重量小,、成本低,、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合大功率應(yīng)用,。
關(guān)鍵詞： 光伏子陣,； 控制器； PWM,； 精粗調(diào)組合
在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū),，太陽(yáng)能的發(fā)電利用光伏控制器,、蓄電池組、光伏電池板組成獨(dú)立光伏發(fā)電站,，其中光伏控制器是整個(gè)電站的核心,。光伏控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有DC/DC型和直通型兩大類(lèi)[1]，DC/DC型又可細(xì)分為MPPT型[2]和諧振型等多種,，但DC/DC型控制器由于有大的感性元件的存在,，在大電流應(yīng)用時(shí)，其體積,、重量和熱量都會(huì)急劇增加,，限制了其在大功率領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用；而直通型控制器在大功率領(lǐng)域則相對(duì)具有優(yōu)勢(shì),，即使光伏電流達(dá)到幾百安培,，其體積、重量和熱量相對(duì)都不會(huì)太大,，因此直通型控制器在移動(dòng)通信基站,、邊防哨卡等大功率領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但直通型控制器仍然存在著一些缺陷,，以下對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,。
1 現(xiàn)有控制方式的不足
現(xiàn)有的直通型光伏控制器對(duì)蓄電池充放電的控制通常采用3類(lèi)充放電控制模式。(1)逐級(jí)投入式系統(tǒng)[3],，即將光伏電池分成N個(gè)獨(dú)立的光伏子陣列,，定義N個(gè)蓄電池電壓控制點(diǎn)Vi(i=1，2,，…N,；Vi<Vi+1),，當(dāng)蓄電池電壓大于Vi時(shí),，第i個(gè)光伏子陣列關(guān)斷，反之則導(dǎo)通,。這樣就形成了隨著蓄電池電壓的增加,，充電電流階梯式逐級(jí)減少；反之則逐級(jí)增大,。優(yōu)點(diǎn)：這種充電控制方式基本滿(mǎn)足了蓄電池的充電需要,，控制邏輯簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn),，電子功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)能量損失很?。蝗秉c(diǎn)：控制精度不高,，電壓波動(dòng)范圍大,，一些先進(jìn)的自動(dòng)控制算法無(wú)法實(shí)現(xiàn),。(2)在此基礎(chǔ)上增加了時(shí)間因素的改良型控制方式，將蓄電池電壓控制點(diǎn)設(shè)置為1個(gè)控制點(diǎn)Vs,。當(dāng)蓄電池電壓大于Vs時(shí),，第i個(gè)光伏子陣列關(guān)斷，延時(shí)1個(gè)固定時(shí)間后,，如果蓄電池電壓仍然大于Vs,，再關(guān)斷第i+1個(gè)光伏子陣列，依次類(lèi)推,，直到第N個(gè)光伏子陣列關(guān)斷,；反之則導(dǎo)通，導(dǎo)通過(guò)程同樣有上述延時(shí),。優(yōu)點(diǎn)：這種充電控制方式減少了蓄電池電壓的變化范圍,，兼有前一種充電控制方式的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)：容易導(dǎo)致控制器的震蕩,，尤其是延遲時(shí)間的選擇,，要隨著太陽(yáng)能電池、蓄電池容量和負(fù)載的配置變化而變化,，否則會(huì)導(dǎo)致失控,，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致蓄電池過(guò)充或過(guò)放而報(bào)廢。(3)脈寬調(diào)制式系統(tǒng)(全控型的PWM控制方式),，即光伏電池不分子陣列,，將全部光伏子陣列并聯(lián)后形成1個(gè)總的光伏電池陣列，再以大功率電子開(kāi)關(guān)做全通全斷型PWM控制,，此法可將蓄電池電壓精確控制在1個(gè)電壓點(diǎn),。優(yōu)點(diǎn)：電壓控制精度高，可采用各種先進(jìn)的自動(dòng)控制算法,；缺點(diǎn)：功率電子開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)功率損耗較大,，在相同的電壓等級(jí)下，對(duì)功率電子開(kāi)關(guān)器件的電流等級(jí)要求很高,，對(duì)器件要求苛刻,，對(duì)于大功率光伏控制器，散熱片體積較大,。
2 精粗調(diào)組合PWM新控制方法
針對(duì)上述3種方案的缺點(diǎn),，本文提出了一種精粗調(diào)組合PWM控制的新控制方法。仍然將光伏電池分成N個(gè)獨(dú)立的相同配置的光伏子陣列(i=1,，2,，…N)，但是只有第1個(gè)光伏子陣列(i=1)采用PWM控制，其余的光伏子陣列(i=2,，3,，…N)仍然采用普通的開(kāi)關(guān)控制，控制方式為：假設(shè)N個(gè)光伏子陣列全部導(dǎo)通時(shí)的總光伏電流為I,，則每個(gè)光伏子陣列單獨(dú)導(dǎo)通時(shí)的光伏電流為I/N,，如果第1個(gè)光伏子陣列的PWM控制占空比變化范圍為0~K，則第1個(gè)光伏子陣列的PWM電流可以精確控制到(j/K)×(I/N),，其中j=0~K變化,；如果將第1個(gè)光伏子陣列的PWM精確控制和其余N-1個(gè)光伏子陣列的開(kāi)關(guān)粗略控制相配合，則可以得到電流變化范圍在0~I之間的任意的精確電流輸出,，其值為：(j/K+m)×(I/N),，其中m是其余N-1個(gè)光伏子陣列導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，m=0~N-1(m=0,，表示其余N-1個(gè)光伏子陣列全部關(guān)斷),；控制器只需要選擇計(jì)算m(0~N-1)和j(0~K)值的大小，就可以控制精確的光伏電流輸出,，電流分辨精度為I/(KN),，相當(dāng)于前述第3類(lèi)全控型的PWM控制方式中PWM占空比變化范圍是0~KN的控制效果。
3 精粗調(diào)組合PWM控制實(shí)現(xiàn)
本控制器的微處理器采用的是C8051F020單片機(jī)[4],，如圖1所示,。通過(guò)外部2個(gè)電流傳感器和電壓檢測(cè)電路，分別經(jīng)過(guò)微處理器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換獲取光伏電流,、負(fù)載電流和蓄電池電壓等參數(shù),。微處理器同時(shí)發(fā)出N個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，其中第1個(gè)信號(hào)由微處理器內(nèi)部的PWM控制單元產(chǎn)生,，第2~N個(gè)信號(hào)由微處理器內(nèi)部的普通數(shù)字I/O口(非PWM)產(chǎn)生,。當(dāng)?shù)趇個(gè)功率電子器件被控制導(dǎo)通時(shí)，第i個(gè)光伏子陣給蓄電池充電,，并為負(fù)載供電,，對(duì)蓄電池充電控制的原則是在不同的時(shí)段進(jìn)行不同的恒壓充電。充電過(guò)程分為強(qiáng)充,、均充,、吸收和浮充4個(gè)過(guò)程，除強(qiáng)充外,，均充、吸收和浮充3個(gè)階段都是恒壓控制,，對(duì)蓄電池的恒壓控制可以采用各種智能控制算法,，本控制器具體采用的是PI(比例積分)調(diào)節(jié)算法，再配合精粗調(diào)組合PWM控制方法綜合實(shí)現(xiàn),。
控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示,，VS是蓄電池電壓設(shè)定值,，VO是蓄電池電壓實(shí)際輸出值，二者之差△V輸入PI調(diào)節(jié)器,，得到期望輸出電流IO,，對(duì)IO采用精粗調(diào)組合PWM實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示,。即：將IO除以(I/N),，取余數(shù)得到j(luò)，取整數(shù)得到m,。再令第1路光伏子陣列的PWM占空比為j,，令其余光伏子陣列中有m個(gè)導(dǎo)通，剩余的光伏子陣列斷開(kāi),，則得到精確的IO輸出:IO=(j/K+m)×(I/N),。該電流提供給蓄電池和負(fù)載，通過(guò)PI算法維持蓄電池輸出電壓VO為恒壓,。在一個(gè)由6路光伏子陣組成的控制系統(tǒng)里,，其第1路光伏子陣的PWM電壓、電流和總光伏電流波形如圖4所示,。這里的電壓是指功率電子開(kāi)關(guān)兩端電壓,，而在一個(gè)相對(duì)時(shí)間里，第2路到第6路光伏子陣電壓和電流變化很少(除非粗調(diào)有動(dòng)作),，否則就是直線,。
本方案只有1個(gè)光伏子陣列采用PWM控制，其余的光伏子陣列仍然采用普通的開(kāi)關(guān)控制,，與全部光伏陣列并聯(lián)后進(jìn)行總的PWM控制相比,，這種精粗調(diào)組合實(shí)現(xiàn)的PWM精確控制其PWM開(kāi)關(guān)能量損耗減少了(N-1)/N(N為光伏子陣列個(gè)數(shù))，縮小了散熱片體積,；由于仍然采用多個(gè)獨(dú)立的光伏子陣列分別控制,，在相同的電壓等級(jí)下，對(duì)功率開(kāi)關(guān)器件的電流等級(jí)要求很低,，可以采用低成本的功率開(kāi)關(guān)器件并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1個(gè)子陣[5],，降低了成本，同時(shí)又兼有對(duì)全部光伏陣列進(jìn)行PWM控制的高精度電流輸出,，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)壓輸出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[6],。由于參與PWM斬波的電流小，電磁兼容性好,，已經(jīng)通過(guò)了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試,，并取得CE認(rèn)證。已在-48 V標(biāo)稱(chēng)電壓、30 A~400 A電流范圍的系列光伏控制器上得到實(shí)際應(yīng)用,。運(yùn)行實(shí)踐表明,，此方案完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。
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