一种新型光伏控制器PWM控制的解决方案

一种新型光伏控制器PWM控制的解决方案文章由92搜狐网收集整理[导读]本文针对现有光伏控制器控制模式的不足，提出一种精粗调组合的新型PWM精确控制的解决方案，将太阳能电池分成N个独立的太阳能子阵，只令一路子阵采用PWM控制作为精调，其余子阵采用普通开关控制作为粗调，具有控制电流精度高、稳压效果好、动态热损耗小、体积和重量小、成本低、易于实现等优点，特别适合大功率应用。0引言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，DC/DC型又可细分为MPPT型和谐振型等多种，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，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;Vi《Vi+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新控制方案针对上述3种方案的缺点，本文提出了一种精粗调组合PWM控制的新控制方案。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控制的实现本控制器的微处理器采用的是C8051F020单片机，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。4结论本方案只有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，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。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-48V标称电压、30A~400A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。