陶寧波

(杭州電子科技大學智能控制與機器人研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭,太陽能已經成為一種十分具有潛力的新能源,而光伏發(fā)電是當前利用太陽能的主要方式[1],其中獨立運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)是目前太陽能光伏發(fā)電應用非常重要的方式[2、3]。目前,國內外對光伏系統(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,使得蓄電池和太陽能電池這兩種電源協(xié)調工作,保證供電系統(tǒng)的正常運行。許多文獻已經對MPPT控制方法進行了研究[4、5],目前常用的方法都有各自的優(yōu)缺點,本文在此提出了一種新型雙?？刂品椒?。

1 獨立光伏電源系統(tǒng)的組成

本文提出的獨立光伏電源系統(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、驅動電路、控制器及負載。

圖1 獨立光伏電源系統(tǒng)組成框圖

控制器通過檢測光伏陣列輸出電壓、電流值并通過計算進行最大功率跟蹤控制,由單向DC/DC電路實現(xiàn);雙向DC/DC變換器對蓄電池進行充放電控制,防止蓄電池過充過放,延長蓄電池壽命。同時對系統(tǒng)進行能量調配,白天太陽光充足時,系統(tǒng)在保證負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光嚴重不足時由蓄電池給負載繼續(xù)供電,以保證負載可以全天候工作。

2 雙向DC/DC變換器控制

對于圖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 獨立光伏電源系統(tǒng)能流模型

圖2(a)中當PPV＞PO時,說明太陽能電池可以向負載提供足夠的能量,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PPV＜PO時,太陽能電池不能向負載提供足夠的能量,此時需要蓄電池放電補充負載所需能量,雙向變換器工作在Boost模式;圖2(c)中當PPV=PO時,說明太陽能電池輸出能量與負載工作所需能量相匹配,雙向變換器關斷,或當蓄電池放電至低于過放電壓,雙向變換器也將被強行控制關斷,以保護蓄電池不被損壞,延長蓄電池的使用壽命。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為負載功率、VBat_min為蓄電池過放點電壓。蓄電池的工作狀態(tài)可以通過檢測其端電壓VBat來確定。當VBat低于過放點電壓VBat_min時,即VBat≤VBat_min,蓄電池處于過放狀態(tài);當VBat＞VBat_min時,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,必須保證太陽能電池和蓄電池兩種電源協(xié)調工作,對系統(tǒng)能量流向進行管理。系統(tǒng)能量管理的核心就是根據(jù)太陽能電池和蓄電池的狀態(tài),來控制雙向變換器能量傳輸?shù)姆较?使其工作在Buck、Boost或關斷三種工作模式,以此來控制蓄電池的充放電,從而對整個系統(tǒng)進行能量管理,使得太陽能電池和蓄電池協(xié)調工作。

3 雙模MPPT控制

針對目前常用的最大功率點跟蹤方法存在著跟蹤速度慢、準確度不夠等缺點,本文提出一種新型雙?？刂品椒?該方法結合了固定電壓法與變步長擾動觀察法的優(yōu)點,很好地克服了以上缺點。當MPPT啟動時采用具有良好動態(tài)特性的固定電壓法,使光伏電池的工作電壓直接調節(jié)到最大功率點附近,當系統(tǒng)實現(xiàn)固定電壓法的控制目標后,再采用變步長擾動觀察法進行跟蹤微調,提高跟蹤的準確度。與單純變步長擾動觀察法不同,當外界環(huán)境發(fā)生突變時,最大功率點跟蹤控制由固定電壓法實現(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上計算出的電壓偏移量。定義系統(tǒng)在k時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)。當滿足Um-ΔU＜Uk＜Um+ΔU時采用變步長擾動觀察法,此外采用固定電壓法,其中ΔU是設定閥值。

圖4 雙模控制流程圖

4 仿真研究

通過Matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型。光強在t=0.04s時由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

標準溫度時,不同光照強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時由1 250W/m2降至600W/m2,此時最大功率點的輸出電壓減小,雙?？刂扑惴ㄔ诙虝r間擾動后穩(wěn)定在最大功率點附近,當光照在t=0.06s時突變升至1 000W/m2,雙模控制算法也可以很好地跟蹤最大功率點,功率損失很小。由此表明雙?？刂扑惴ㄔ趷毫訔l件下如光照強度連續(xù)突變時都可以準確迅速地跟蹤到太陽能電池的最大功率輸出,圖6中為逆變器輸出電流隨光強變化情況,當光強減小時逆變器輸出電流減小,反之則增大,動態(tài)性能良好。

5 基于TMS320F2812 DSP的系統(tǒng)實現(xiàn)方案簡介

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、驅動電路、擴展接口、功率板和操作面板。輔助電路主要包括DSP電源電路和時鐘源電路,使DSP正常工作,為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時鐘振蕩輸入;采樣電路完成模數(shù)轉換,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、負載電壓和負載電流共6路信號,分別采用霍爾電壓電流傳感器;采用電磁隔離驅動電路對功率管進行驅動;操作面板完成人機交互的工作,主要由LCD數(shù)碼管、幾個功能按鍵等組成,可以實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài),并能夠對系統(tǒng)參數(shù)進行設置,以確保系統(tǒng)正?？煽窟\行。

圖7 基于TMS320F2812芯片的系統(tǒng)框圖

6 結束語

本文提出一種新型獨立光伏電源系統(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,隨外界光照天氣變化情況,對系統(tǒng)能量流動進行實時調配,以保證負載的正常工作。然后提出了一種雙模MPPT控制算法,由仿真實驗可以看出,該算法可以滿足在惡劣條件下快速準確地跟蹤最大功率點輸出。基于本文方法的新型光伏電源系統(tǒng)用途廣泛。

[1] 戴欣平,馬廣,楊曉紅.太陽能發(fā)電變頻器驅動系統(tǒng)的最大功率追蹤控制法[J].中國電機工程學報,2005,25(8):95-99.

[2] 廖志凌,阮新波.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國電機工程學報,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跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術,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原理與開發(fā)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:27-41.