一种新型光伏控制器PWM控制方法

2011-05-06 08:30:58来源: 互联网

    在远离电网的偏远地区,太阳能的发电利用光伏控制器、蓄电池组、光伏电池板组成独立光伏发电站,其中光伏控制器是整个电站的核心。光伏控制器的拓扑结构通常有DC/DC型和直通型两大类[1],DC/DC型又可细分为MPPT型[2]和谐振型等多种,但DC/DC型控制器由于有大的感性元件的存在,在大电流应用时,其体积、重量和热量都会急剧增加,限制了其在大功率领域的实际应用;而直通型控制器在大功率领域则相对具有优势,即使光伏电流达到几百安培,其体积、重量和热量相对都不会太大,因此直通型控制器在移动通信基站、边防哨卡等大功率领域得到了广泛的应用。但直通型控制器仍然存在着一些缺陷,以下对其优缺点进行分析。
1 现有控制方式的不足
    现有的直通型光伏控制器对蓄电池充放电的控制通常采用3类充放电控制模式。(1)逐级投入式系统[3],即将光伏电池分成N个独立的光伏子阵列,定义N个蓄电池电压控制点Vi(i=1,2,…N;Vii+1),当蓄电池电压大于Vi时,第i个光伏子阵列关断,反之则导通。这样就形成了随着蓄电池电压的增加,充电电流阶梯式逐级减少;反之则逐级增大。优点:这种充电控制方式基本满足了蓄电池的充电需要,控制逻辑简单、易于实现,电子功率开关器件的开关能量损失很小;缺点:控制精度不高,电压波动范围大,一些先进的自动控制算法无法实现。(2)在此基础上增加了时间因素的改良型控制方式,将蓄电池电压控制点设置为1个控制点Vs。当蓄电池电压大于Vs时,第i个光伏子阵列关断,延时1个固定时间后,如果蓄电池电压仍然大于Vs,再关断第i+1个光伏子阵列,依次类推,直到第N个光伏子阵列关断;反之则导通,导通过程同样有上述延时。优点:这种充电控制方式减少了蓄电池电压的变化范围,兼有前一种充电控制方式的优点;缺点:容易导致控制器的震荡,尤其是延迟时间的选择,要随着太阳能电池、蓄电池容量和负载的配置变化而变化,否则会导致失控,严重者会导致蓄电池过充或过放而报废。(3)脉宽调制式系统(全控型的PWM控制方式),即光伏电池不分子阵列,将全部光伏子阵列并联后形成1个总的光伏电池阵列,再以大功率电子开关做全通全断型PWM控制,此法可将蓄电池电压精确控制在1个电压点。优点:电压控制精度高,可采用各种先进的自动控制算法;缺点:功率电子开关器件的开关功率损耗较大,在相同的电压等级下,对功率电子开关器件的电流等级要求很高,对器件要求苛刻,对于大功率光伏控制器,散热片体积较大。
2 精粗调组合PWM新控制方法
    针对上述3种方案的缺点,本文提出了一种精粗调组合PWM控制的新控制方法。仍然将光伏电池分成N个独立的相同配置的光伏子阵列(i=1,2,…N),但是只有第1个光伏子阵列(i=1)采用PWM控制,其余的光伏子阵列(i=2,3,…N)仍然采用普通的开关控制,控制方式为:假设N个光伏子阵列全部导通时的总光伏电流为I,则每个光伏子阵列单独导通时的光伏电流为I/N,如果第1个光伏子阵列的PWM控制占空比变化范围为0~K,则第1个光伏子阵列的PWM电流可以精确控制到(j/K)×(I/N),其中j=0~K变化;如果将第1个光伏子阵列的PWM精确控制和其余N-1个光伏子阵列的开关粗略控制相配合,则可以得到电流变化范围在0~I之间的任意的精确电流输出,其值为:(j/K+m)×(I/N),其中m是其余N-1个光伏子阵列导通的个数,m=0~N-1(m=0,表示其余N-1个光伏子阵列全部关断);控制器只需要选择计算m(0~N-1)和j(0~K)值的大小,就可以控制精确的光伏电流输出,电流分辨精度为I/(KN),相当于前述第3类全控型的PWM控制方式中PWM占空比变化范围是0~KN的控制效果。
3 精粗调组合PWM控制实现
    本控制器的微处理器采用的是C8051F020单片机[4],如图1所示。通过外部2个电流传感器和电压检测电路,分别经过微处理器内部AD转换获取光伏电流、负载电流和蓄电池电压等参数。微处理器同时发出N个开关控制信号,其中第1个信号由微处理器内部的PWM控制单元产生,第2~N个信号由微处理器内部的普通数字I/O口(非PWM)产生。当第i个功率电子器件被控制导通时,第i个光伏子阵给蓄电池充电,并为负载供电,对蓄电池充电控制的原则是在不同的时段进行不同的恒压充电。充电过程分为强充、均充、吸收和浮充4个过程,除强充外,均充、吸收和浮充3个阶段都是恒压控制,对蓄电池的恒压控制可以采用各种智能控制算法,本控制器具体采用的是PI(比例积分)调节算法,再配合精粗调组合PWM控制方法综合实现。


    控制系统传递函数结构如图2所示,VS是蓄电池电压设定值,VO是蓄电池电压实际输出值,二者之差△V输入PI调节器,得到期望输出电流IO,对IO采用精粗调组合PWM实现,实现流程图如图3所示。即:将IO除以(I/N),取余数得到j,取整数得到m。再令第1路光伏子阵列的PWM占空比为j,令其余光伏子阵列中有m个导通,剩余的光伏子阵列断开,则得到精确的IO输出:IO=(j/K+m)×(I/N)。该电流提供给蓄电池和负载,通过PI算法维持蓄电池输出电压VO为恒压。在一个由6路光伏子阵组成的控制系统里,其第1路光伏子阵的PWM电压、电流和总光伏电流波形如图4所示。这里的电压是指功率电子开关两端电压,而在一个相对时间里,第2路到第6路光伏子阵电压和电流变化很少(除非粗调有动作),否则就是直线。


    本方案只有1个光伏子阵列采用PWM控制,其余的光伏子阵列仍然采用普通的开关控制,与全部光伏阵列并联后进行总的PWM控制相比,这种精粗调组合实现的PWM精确控制其PWM开关能量损耗减少了(N-1)/N(N为光伏子阵列个数),缩小了散热片体积;由于仍然采用多个独立的光伏子阵列分别控制,在相同的电压等级下,对功率开关器件的电流等级要求很低,可以采用低成本的功率开关器件并联实现1个子阵[5],降低了成本,同时又兼有对全部光伏阵列进行PWM控制的高精度电流输出,经测试系统稳压输出符合国家标准[6]。由于参与PWM斩波的电流小,电磁兼容性好,已经通过了电磁兼容标准测试,并取得CE认证。已在-48 V标称电压、30 A~400 A电流范围的系列光伏控制器上得到实际应用。运行实践表明,此方案完全达到了预期设计效果。

关键字:新型  光伏  控制器

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0506/article_5877.html
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