摘 要： 針對現有光伏控制器控制模式的不足，提出一種精粗調組合實現的新型PWM精確控制方法，將太陽能電池分成N個獨立的太陽能子陣，只令一路子陣采用PWM控制作為精調，其余子陣采用普通開關控制作為粗調，具有控制電流精度高、穩壓效果好、動態熱損耗小、體積和重量小、成本低、易于實現等優點，特別適合大功率應用。
關鍵詞： 光伏子陣； 控制器； PWM； 精粗調組合
在遠離電網的偏遠地區，太陽能的發電利用光伏控制器、蓄電池組、光伏電池板組成獨立光伏發電站，其中光伏控制器是整個電站的核心。光伏控制器的拓撲結構通常有DC/DC型和直通型兩大類[1]，DC/DC型又可細分為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，在大電流應用時，其體積、重量和熱量都會急劇增加，限制了其在大功率領域的實際應用；而直通型控制器在大功率領域則相對具有優勢，即使光伏電流達到幾百安培，其體積、重量和熱量相對都不會太大，因此直通型控制器在移動通信基站、邊防哨卡等大功率領域得到了廣泛的應用。但直通型控制器仍然存在著一些缺陷，以下對其優缺點進行分析。
1 現有控制方式的不足
現有的直通型光伏控制器對蓄電池充放電的控制通常采用3類充放電控制模式。(1)逐級投入式系統[3]，即將光伏電池分成N個獨立的光伏子陣列，定義N個蓄電池電壓控制點Vi(i=1，2，…N；Vi<Vi+1)，當蓄電池電壓大于Vi時，第i個光伏子陣列關斷，反之則導通。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減少；反之則逐級增大。優點：這種充電控制方式基本滿足了蓄電池的充電需要，控制邏輯簡單、易于實現，電子功率開關器件的開關能量損失很小；缺點：控制精度不高，電壓波動范圍大，一些先進的自動控制算法無法實現。(2)在此基礎上增加了時間因素的改良型控制方式，將蓄電池電壓控制點設置為1個控制點Vs。當蓄電池電壓大于Vs時，第i個光伏子陣列關斷，延時1個固定時間后，如果蓄電池電壓仍然大于Vs，再關斷第i+1個光伏子陣列，依次類推，直到第N個光伏子陣列關斷；反之則導通，導通過程同樣有上述延時。優點：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點；缺點：容易導致控制器的震蕩，尤其是延遲時間的選擇，要隨著太陽能電池、蓄電池容量和負載的配置變化而變化，否則會導致失控，嚴重者會導致蓄電池過充或過放而報廢。(3)脈寬調制式系統(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后形成1個總的光伏電池陣列，再以大功率電子開關做全通全斷型PWM控制，此法可將蓄電池電壓精確控制在1個電壓點。優點：電壓控制精度高，可采用各種先進的自動控制算法；缺點：功率電子開關器件的開關功率損耗較大，在相同的電壓等級下，對功率電子開關器件的電流等級要求很高，對器件要求苛刻，對于大功率光伏控制器，散熱片體積較大。
2 精粗調組合PWM新控制方法
針對上述3種方案的缺點，本文提出了一種精粗調組合PWM控制的新控制方法。仍然將光伏電池分成N個獨立的相同配置的光伏子陣列(i=1，2，…N)，但是只有第1個光伏子陣列(i=1)采用PWM控制，其余的光伏子陣列(i=2，3，…N)仍然采用普通的開關控制，控制方式為：假設N個光伏子陣列全部導通時的總光伏電流為I，則每個光伏子陣列單獨導通時的光伏電流為I/N，如果第1個光伏子陣列的PWM控制占空比變化范圍為0~K，則第1個光伏子陣列的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個光伏子陣列的PWM精確控制和其余N-1個光伏子陣列的開關粗略控制相配合，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個光伏子陣列導通的個數，m=0~N-1(m=0，表示其余N-1個光伏子陣列全部關斷)；控制器只需要選擇計算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)，相當于前述第3類全控型的PWM控制方式中PWM占空比變化范圍是0~KN的控制效果。
3 精粗調組合PWM控制實現
本控制器的微處理器采用的是C8051F020單片機[4]，如圖1所示。通過外部2個電流傳感器和電壓檢測電路，分別經過微處理器內部AD轉換獲取光伏電流、負載電流和蓄電池電壓等參數。微處理器同時發出N個開關控制信號，其中第1個信號由微處理器內部的PWM控制單元產生，第2~N個信號由微處理器內部的普通數字I/O口(非PWM)產生。當第i個功率電子器件被控制導通時，第i個光伏子陣給蓄電池充電，并為負載供電，對蓄電池充電控制的原則是在不同的時段進行不同的恒壓充電。充電過程分為強充、均充、吸收和浮充4個過程，除強充外，均充、吸收和浮充3個階段都是恒壓控制，對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)調節算法，再配合精粗調組合PWM控制方法綜合實現。
控制系統傳遞函數結構如圖2所示，VS是蓄電池電壓設定值，VO是蓄電池電壓實際輸出值，二者之差△V輸入PI調節器，得到期望輸出電流IO，對IO采用精粗調組合PWM實現，實現流程圖如圖3所示。即：將IO除以(I/N)，取余數得到j，取整數得到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個導通，剩余的光伏子陣列斷開，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載，通過PI算法維持蓄電池輸出電壓VO為恒壓。在一個由6路光伏子陣組成的控制系統里，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關兩端電壓，而在一個相對時間里，第2路到第6路光伏子陣電壓和電流變化很少(除非粗調有動作)，否則就是直線。
本方案只有1個光伏子陣列采用PWM控制，其余的光伏子陣列仍然采用普通的開關控制，與全部光伏陣列并聯后進行總的PWM控制相比，這種精粗調組合實現的PWM精確控制其PWM開關能量損耗減少了(N-1)/N(N為光伏子陣列個數)，縮小了散熱片體積；由于仍然采用多個獨立的光伏子陣列分別控制，在相同的電壓等級下，對功率開關器件的電流等級要求很低，可以采用低成本的功率開關器件并聯實現1個子陣[5]，降低了成本，同時又兼有對全部光伏陣列進行PWM控制的高精度電流輸出，經測試系統穩壓輸出符合國家標準[6]。由于參與PWM斬波的電流小，電磁兼容性好，已經通過了電磁兼容標準測試，并取得CE認證。已在-48 V標稱電壓、30 A~400 A電流范圍的系列光伏控制器上得到實際應用。運行實踐表明，此方案完全達到了預期設計效果。
參考文獻
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