基于雙向DC/DC變換器的光伏電源系統(tǒng)

陶寧波

(杭州電子科技大學(xué)智能控制與機(jī)器人研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭,太陽(yáng)能已經(jīng)成為一種十分具有潛力的新能源,而光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽(yáng)能的主要方式[1],其中獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)是目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用非常重要的方式[2、3]。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)光伏系統(tǒng)中的蓄電池能量管理控制和MPPT算法研究不夠深入。本文根據(jù)太陽(yáng)能電池和蓄電池的工作狀態(tài),采用雙向DC-DC變換器控制蓄電池的充放電,使得蓄電池和太陽(yáng)能電池這兩種電源協(xié)調(diào)工作,保證供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。許多文獻(xiàn)已經(jīng)對(duì)MPPT控制方法進(jìn)行了研究[4、5],目前常用的方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn),本文在此提出了一種新型雙模控制方法。

1 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)的組成

本文提出的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由以下幾部分組成:光伏陣列、單向DC/DC、雙向DC/DC、DC/AC、蓄電池、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制器及負(fù)載。

圖1 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)組成框圖

控制器通過(guò)檢測(cè)光伏陣列輸出電壓、電流值并通過(guò)計(jì)算進(jìn)行最大功率跟蹤控制,由單向DC/DC電路實(shí)現(xiàn);雙向DC/DC變換器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電控制,防止蓄電池過(guò)充過(guò)放,延長(zhǎng)蓄電池壽命。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行能量調(diào)配,白天太陽(yáng)光充足時(shí),系統(tǒng)在保證負(fù)載正常工作能量冗余的情況下給蓄電池充電,夜晚或陰雨天氣太陽(yáng)光嚴(yán)重不足時(shí)由蓄電池給負(fù)載繼續(xù)供電,以保證負(fù)載可以全天候工作。

2 雙向DC/DC變換器控制

對(duì)于圖1所示系統(tǒng)的能流模型如圖2所示。其中單向DC/DC變換器選用Boost變換器,雙向DC/DC變換器選用雙向Buck-Boost變換器。

圖2 獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)能流模型

圖2(a)中當(dāng)PPV＞PO時(shí),說(shuō)明太陽(yáng)能電池可以向負(fù)載提供足夠的能量,多余的能量給蓄電池充電,雙向變換器工作在Buck模式;圖2(b)中當(dāng)PPV＜PO時(shí),太陽(yáng)能電池不能向負(fù)載提供足夠的能量,此時(shí)需要蓄電池放電補(bǔ)充負(fù)載所需能量,雙向變換器工作在Boost模式;圖2(c)中當(dāng)PPV=PO時(shí),說(shuō)明太陽(yáng)能電池輸出能量與負(fù)載工作所需能量相匹配,雙向變換器關(guān)斷,或當(dāng)蓄電池放電至低于過(guò)放電壓,雙向變換器也將被強(qiáng)行控制關(guān)斷,以保護(hù)蓄電池不被損壞,延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。雙向DC/DC變換器控制流程圖如圖3所示,其中PPV為光伏電池輸出功率、PO為負(fù)載功率、VBat_min為蓄電池過(guò)放點(diǎn)電壓。蓄電池的工作狀態(tài)可以通過(guò)檢測(cè)其端電壓VBat來(lái)確定。當(dāng)VBat低于過(guò)放點(diǎn)電壓VBat_min時(shí),即VBat≤VBat_min,蓄電池處于過(guò)放狀態(tài);當(dāng)VBat＞VBat_min時(shí),蓄電池處于正常狀態(tài),既可以充電也可以放電。

圖3 雙向DC/DC變換器控制流程圖

為了確保本文所提出的獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)能穩(wěn)定、可靠以及高效的工作,必須保證太陽(yáng)能電池和蓄電池兩種電源協(xié)調(diào)工作,對(duì)系統(tǒng)能量流向進(jìn)行管理。系統(tǒng)能量管理的核心就是根據(jù)太陽(yáng)能電池和蓄電池的狀態(tài),來(lái)控制雙向變換器能量傳輸?shù)姆较?使其工作在Buck、Boost或關(guān)斷三種工作模式,以此來(lái)控制蓄電池的充放電,從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行能量管理,使得太陽(yáng)能電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作。

3 雙模MPPT控制

針對(duì)目前常用的最大功率點(diǎn)跟蹤方法存在著跟蹤速度慢、準(zhǔn)確度不夠等缺點(diǎn),本文提出一種新型雙?？刂品椒?該方法結(jié)合了固定電壓法與變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn),很好地克服了以上缺點(diǎn)。當(dāng)MPPT啟動(dòng)時(shí)采用具有良好動(dòng)態(tài)特性的固定電壓法,使光伏電池的工作電壓直接調(diào)節(jié)到最大功率點(diǎn)附近,當(dāng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固定電壓法的控制目標(biāo)后,再采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行跟蹤微調(diào),提高跟蹤的準(zhǔn)確度。與單純變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法不同,當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí),最大功率點(diǎn)跟蹤控制由固定電壓法實(shí)現(xiàn)。該算法流程圖如圖4所示。其中,Δu指固定電壓法使用PI控制使輸出電壓穩(wěn)定到Um上計(jì)算出的電壓偏移量。定義系統(tǒng)在k時(shí)刻光伏陣列的輸出電壓及電流分別為Uk和Ik,系統(tǒng)根據(jù)光伏陣列的輸出電壓判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)。當(dāng)滿足Um-ΔU＜Uk＜Um+ΔU時(shí)采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法,此外采用固定電壓法,其中ΔU是設(shè)定閥值。

圖4 雙?？刂屏鞒虉D

4 仿真研究

通過(guò)Matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型。光強(qiáng)在t=0.04s時(shí)由1 250W/m2突變降至600W/m2,在t=0.06s突變升至1 000W/m2。

圖5 光伏陣列輸出功率變化圖

圖6 逆變器輸出電流變化圖

標(biāo)準(zhǔn)溫度時(shí),不同光照強(qiáng)度下光伏陣列輸出功率變化情況如圖5所示,光照在t=0.04s時(shí)由1 250W/m2降至600W/m2,此時(shí)最大功率點(diǎn)的輸出電壓減小,雙模控制算法在短時(shí)間擾動(dòng)后穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近,當(dāng)光照在t=0.06s時(shí)突變升至1 000W/m2,雙?？刂扑惴ㄒ部梢院芎玫馗欁畲蠊β庶c(diǎn),功率損失很小。由此表明雙?？刂扑惴ㄔ趷毫訔l件下如光照強(qiáng)度連續(xù)突變時(shí)都可以準(zhǔn)確迅速地跟蹤到太陽(yáng)能電池的最大功率輸出,圖6中為逆變器輸出電流隨光強(qiáng)變化情況,當(dāng)光強(qiáng)減小時(shí)逆變器輸出電流減小,反之則增大,動(dòng)態(tài)性能良好。

5 基于TMS320F2812 DSP的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)介

基于TMS320F2812DSP[6]的系統(tǒng)框圖如圖7所示。包括DSP芯片、輔助電路、采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路、擴(kuò)展接口、功率板和操作面板。輔助電路主要包括DSP電源電路和時(shí)鐘源電路,使DSP正常工作,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時(shí)鐘振蕩輸入;采樣電路完成模數(shù)轉(zhuǎn)換,本系統(tǒng)需采樣光伏陣列輸出電壓、光伏陣列輸出電流、蓄電池端電壓、蓄電池充放電電流、負(fù)載電壓和負(fù)載電流共6路信號(hào),分別采用霍爾電壓電流傳感器;采用電磁隔離驅(qū)動(dòng)電路對(duì)功率管進(jìn)行驅(qū)動(dòng);操作面板完成人機(jī)交互的工作,主要由LCD數(shù)碼管、幾個(gè)功能按鍵等組成,可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)工作狀態(tài),并能夠?qū)ο到y(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,以確保系統(tǒng)正?？煽窟\(yùn)行。

圖7 基于TMS320F2812芯片的系統(tǒng)框圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種新型獨(dú)立光伏電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于雙向DC/DC變換器,其本身完成蓄電池的充放電任務(wù),隨外界光照天氣變化情況,對(duì)系統(tǒng)能量流動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)配,以保證負(fù)載的正常工作。然后提出了一種雙模MPPT控制算法,由仿真實(shí)驗(yàn)可以看出,該算法可以滿足在惡劣條件下快速準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)輸出?；诒疚姆椒ǖ男滦凸夥娫聪到y(tǒng)用途廣泛。

[1] 戴欣平,馬廣,楊曉紅.太陽(yáng)能發(fā)電變頻器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大功率追蹤控制法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2005,25(8):95-99.

[2] 廖志凌,阮新波.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29(21):46-52.

[3] Pacheco V M,Freitas L C,Vieira Jr JB,et al.A DC-DC converter adequate for alternative supply system applications[C].Dalls TX:Seventeenth Annual APEC,2002:156-166.

[4] 周林,武劍,栗秋華,等.光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù),2008,34(6):1 145-1 153.

[5] Esram T,Chapman P L.Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques[J].IEEE Energy Conversion,2007,22(2):439-449.

[6] 蘇奎峰.TMS320F2812原理與開(kāi)發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:27-41.