一種光伏模擬電源的設(shè)計(jì)

李 帆

(西安科技大學(xué)電氣與控制學(xué)院，陜西西安 710054)

能源是當(dāng)今發(fā)展生存不可或缺的，隨著時(shí)間的推移，能源越來越少，具體表現(xiàn)在其價(jià)格的不斷上漲。在能源稀缺的背景下，開發(fā)出一種新能源則尤為重要。太陽能由于取之不盡、用之不竭等優(yōu)點(diǎn)成為最具潛力的可再生能源之一其以安全性、相對(duì)的廣泛性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)成為了未來各國(guó)能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。文中對(duì)太陽能的利用大致可分為光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換［1］。其中光電轉(zhuǎn)換近年發(fā)展較快，也是最具經(jīng)濟(jì)潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域。將光伏發(fā)電的能量經(jīng)過升壓逆變及并網(wǎng)等過程變?yōu)榭墒褂玫氖须?。在使用時(shí)存在著一定的效率，要想提高其轉(zhuǎn)化效率必須使其工作在最大功率點(diǎn)處近期出現(xiàn)了眾多的光伏器件，例如:光伏逆變器，是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電然后與市電完成并網(wǎng)，其帶有最大功率點(diǎn)跟蹤的功能。而光伏模擬電源則可根據(jù)外界給定參數(shù)產(chǎn)生光伏曲線，為被測(cè)帶有MPPT功能的光伏逆變器提供測(cè)試環(huán)境。

1 太陽能電池的等效電路

為能清楚地描述電路的工作狀態(tài)，往往將太陽能電池及負(fù)載系統(tǒng)用一等效電路模型表示，如圖1所示［2］。

圖1 太陽能電池等效電路

太陽能電池可表示為一個(gè)感光電流源和一個(gè)二極管的并聯(lián)，由于電池材料存在缺陷和歐姆損耗，太陽能電池模型必須分別用串聯(lián)電阻Rs和分流電阻Rsh表示這些損耗。根據(jù)電路理論，目前普遍使用的硅太陽能電池?cái)?shù)學(xué)模型為

其中，I為光伏電池的輸出電流;V為光伏電池的輸出電壓;Iph為太陽能電池光生電流;Ish為二極管飽和電流;q為電子的電荷量1.6×1019C;Rs為光伏電池串聯(lián)等效電阻;Rsh為光伏電池并聯(lián)等效電阻;n為無量綱的任意曲線擬合常數(shù);K為波爾茲曼常數(shù)1.3×1023J/K;T為太陽能電池溫度。

2 太陽能電池的輸出特性

根據(jù)式(1)可將太陽能電池的I－V和P－V曲線表示出來，如圖2所示。

圖2 光伏電池U－I曲線和P－U曲線

可知I=f(T，V，S)，S為日照強(qiáng)度。即太陽能電池的輸出電壓和電流特性與光照強(qiáng)度S和電池溫度T有關(guān)。

由于溫度和光照的變化，輸出曲線實(shí)際上是形狀相似的一系列曲線族。根據(jù)給定的光伏陣列在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下提供的參數(shù)和輸入的日照溫度，計(jì)算當(dāng)前的I－U曲線，以一定的時(shí)間間隔將其離散化成二維浮點(diǎn)數(shù)，將其存儲(chǔ)在單片機(jī)的RAM中。由此給被測(cè)試器件提供一個(gè)可復(fù)現(xiàn)真實(shí)太陽能電池特性曲線的非線性電源。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

由于太陽能電池受外界影響較大，文中設(shè)計(jì)的基于整流濾波、開關(guān)電源和最大功率點(diǎn)跟蹤的硬件電路。太陽能模擬電池的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架

通過整流濾波將220 V降壓后經(jīng)BUCK電路將其變?yōu)榧s60 V，后接負(fù)載。對(duì)主回路(開關(guān)電源)的電壓進(jìn)行采樣送入誤差比較放大器，將電流采樣信號(hào)送入單片機(jī)，將單片機(jī)中存儲(chǔ)與電流所對(duì)應(yīng)的電壓值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送至誤差比較放大器作為基準(zhǔn)電壓，再經(jīng)誤差比較放大器反饋給主回路。使其能準(zhǔn)確模擬U－I曲線，將最大功率點(diǎn)的電壓、電流和功率顯示出來。

4 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路主要由整流濾波電路和開關(guān)電源兩部分組成［3］。

4.1 整流濾波電路

圖4 整流濾波電路

整流濾波電路原理:整流電路利用單相導(dǎo)電性能的整流器件二極管將方向和大小均有變化的50 Hz交流電，變換為方向大小仍有脈動(dòng)的直流電。濾波電路利用儲(chǔ)能元件電容兩端電壓不可突變或電感兩端電流不可突變的原理，此處采用電容濾波，再將電容與整流電路的負(fù)載并聯(lián)，將整流電路中的交流成分大多加以濾除，從而得到較為平滑的直流電。

4.2 電源電路

穩(wěn)壓電源部分采用BUCK降壓電路，對(duì)PWM的占空比控制則通過加電壓反饋閉環(huán)回路來計(jì)算。如圖5所示。

圖5 DC－DC降壓式開關(guān)電源

具體步驟為［4］:(1)對(duì)輸出端進(jìn)行電壓采樣，將采樣信號(hào)送入誤差放大器。(2)對(duì)輸出端進(jìn)行電流采樣，在已知的單片機(jī)存儲(chǔ)器中找出相對(duì)應(yīng)的電壓值作為誤差比較放大器的基準(zhǔn)電壓，這可使輸出電流和電壓工作在預(yù)先設(shè)定的I－V曲線上。(3)將存儲(chǔ)器中的電壓和輸出采樣電壓送入誤差比較放大器，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制原理，得到瞬時(shí)的脈沖。

加入誤差比較放大可提高控制系統(tǒng)的靈敏度，使輸出更為穩(wěn)定。

已知

可知，功率與負(fù)載及電流有關(guān)。負(fù)載可通過硬件手動(dòng)調(diào)節(jié)，而電流可經(jīng)單片機(jī)調(diào)節(jié)，輸出不同條件下的P－I和I－U曲線。即最大功率可看成一個(gè)有關(guān)I的函數(shù)

為對(duì)被測(cè)光伏逆變器的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤測(cè)試，只需檢測(cè)被測(cè)物的輸出電流即可。

5 結(jié)束語

隨著太陽能的廣泛利用，文中所介紹的光伏模擬電源可通過用戶所需參數(shù)以手工或通訊手段對(duì)裝置進(jìn)行設(shè)定，實(shí)時(shí)地計(jì)算出I－V特性曲線。該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便且成本較小，易于廣泛使用。

［1］蔡先武.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)追蹤控制［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2008(11):48－52.

［2］王長(zhǎng)貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］李先允.電力電子技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，2006.

［4］雷元超，陳春根，沈駿，等.光伏電源最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究［J］.電工電能新技術(shù)，2004，23(3):76 －80.