高源，陳希有

(大連理工大學，遼寧 大連 116024)

0 引言

在傳統(tǒng)能源日益枯竭的21世紀，光伏發(fā)電技術(shù)已成為新能源領(lǐng)域重要的研究方向。光照充足時，許多電器依然利用市電工作，導致資源的浪費。傳統(tǒng)獨立光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)，光伏電池通過實現(xiàn)MPPT功能[1]的DC/DC電路連接直流母線，蓄電池通過雙向DC/DC變換器實現(xiàn)儲能和穩(wěn)壓的功能。在光伏輸出能量不足時，需要雙向DC/DC變換器改變能量傳輸方向，蓄電池才能向直流母線提供能量來穩(wěn)定直流母線電壓[2]。因此這種系統(tǒng)的控制方法復雜且穩(wěn)定性不高。

針對上述不足，本文提出一種并聯(lián)式穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)。在該系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)中，穩(wěn)壓支路與直流母線呈并聯(lián)狀態(tài)。系統(tǒng)利用PI反饋以直流20V輸出為調(diào)節(jié)目標，在光伏電池輸出能量充足時，通過Buck電路從直流母線分流向蓄電池充電，Buck-Boost電路降壓;不足時，蓄電池通過二極管向負載提供能量，Buck-Boost電路升壓。

1 并聯(lián)穩(wěn)壓式獨立光伏系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1所示，光伏電池通過 Buck-Boost電路連接到負載，Buck電路、蓄電池充電電路與蓄電池組成穩(wěn)壓支路與直流母線并聯(lián)。光伏電池輸出電流 IPV、負載工作電流IIOAD與蓄電池充電電流IB的關(guān)系為:

在光照充足時，利用光伏電池向負載提供能量，穩(wěn)壓支路從直流母線分流向蓄電池充電;若陽光突然被遮擋或在連續(xù)無光條件下，則穩(wěn)壓支路中Buck電路停止工作，蓄電池通過二極管D2向直流母線提供電能，若蓄電池持續(xù)放電導致其端電壓低于放電截止電壓，則系統(tǒng)切換至市電模式。在蓄電池電壓高于充電截止電壓之前，光伏電池向蓄電池充電;高于之后，則系統(tǒng)重新切換至光伏供電模式，繼續(xù)利用光伏電池向負載提供能量。

圖1 系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 并聯(lián)穩(wěn)壓式獨立光伏系統(tǒng)工作模式

本文設計的獨立光伏系統(tǒng)，有光伏供電模式、蓄電池供電模式和市電模式，三種模式依次循環(huán)。

當光照條件充足，光伏輸出功率可以滿足負載需求時，系統(tǒng)為光伏供電模式，如圖2所示。此時Buck－Boost主電路正常工作，母線電壓高于蓄電池電壓，D2截止。判斷蓄電池是否充滿電，若充滿電則關(guān)閉Buck電路;若未充滿，則穩(wěn)壓支路通過Buck電路為蓄電池充電。

當光照條件不足，光伏輸出功率不能滿足負載需求時，系統(tǒng)為蓄電池供電模式，如圖3所示。蓄電池通過D2向直流母線輸出能量，Buck電路停止工作，Buck-Boost主電路正常輸出能量。

當蓄電池放電結(jié)束，LM339控制電路斷開 S1，閉合 S2，系統(tǒng)進入市電模式，如圖4所示。此模式中，若光伏有能量輸出，則系統(tǒng)控制Buck電路工作向蓄電池充電[3]，直到蓄電池充滿電，LM339控制電路閉合S1，斷開S2，系統(tǒng)重新進入光伏供電模式。

圖4 市電模式

3 并聯(lián)穩(wěn)壓式獨立光伏系統(tǒng)的控制策略

在極性反轉(zhuǎn)Buck-Boost電路[4]中，若變換器處于電感電流連續(xù)條件下，假設變換器損耗為零，輸出電壓平均值表達式為:

選用DSP2812芯片采樣直流母線電壓電流和負載電壓。若直流母線電壓高于目標電壓，則通過PI反饋計算并控制Buck-Boost電路占空比;然后將采樣母線電壓與蓄電池額定充電電壓17.2 V 相比較，若高則 Buck 電路[5]工作向蓄電池充電電路提供 17.2 V充電電壓;若低則控制 Buck電路MOS管占空比為100%，由 UC3906充電控制芯片控制蓄電池充電過程。

圖5 控制原理框圖

若采樣直流母線電壓低于目標電壓，則將母線電壓與蓄電池放電截止電壓比較，若高則通過PI反饋計算并控制 Buck-Boost電路占空比。比較母線電壓與蓄電池額定充電電壓計算并控制Buck電路占空比，過程與母線電壓高于負載額定電壓時相同。在母線電壓低于蓄電池放電截止電壓之前，LM339控制電路切換供電模式，進入市電模式，等待光伏電池為蓄電池充電。當蓄電池充滿電，其電壓高于充電截止電壓后，LM339再次切換進入光伏供電模式，至此一個供電循環(huán)結(jié)束。圖5為控制原理框圖。

4 實驗結(jié)果

實驗中光伏支路以直流負載電壓20 V為調(diào)節(jié)目標，選用直流負載為24 V60 W白熾燈，交流負載為220 V60 W白熾燈。電路開關(guān)頻率為 20 kHz。12 V －12 Ah鉛酸蓄電池作為儲能器件。

正常情況下直流母線電壓最低為 12 V，最高不超過 23 V，實驗中從12 V到30 V連續(xù)調(diào)節(jié)母線電壓輸出電壓。Q1為 Buck-Boost電路驅(qū)動波形，V1為負載電壓波形。圖6為母線電壓12 V時，負載電壓 V1平均值為 19.9 V;圖7為母線電壓30 V時，負載電壓 V1平均值為 20.8 V。

圖11 母線電壓24 V，負載100 Ω時Q1和V1波形

實驗中對負載變化進行測試。分別在母線電壓為16 V和24 V時，調(diào)節(jié)負載從10 Ω 到100 Ω連續(xù)變化。圖8為輸入電壓16 V，負載 10 Ω 時，負載電壓V1平均值為20.3 V;圖9為輸入電壓16 V，負載100 Ω時，負載電壓V1平均值為20.2 V;圖10為輸入電壓24 V，負載10 Ω時，負載電壓V1平均值為19.8 V;圖11為輸入電壓24 V，負載100 Ω 時，負載電壓V1平均值為22 V。

5 結(jié)束語

通過改進獨立光伏系統(tǒng)的傳統(tǒng)穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)，本文提出一種并聯(lián)式穩(wěn)壓結(jié)構(gòu)。分析了系統(tǒng)各部分電路的工作原理，通過實驗驗證其可行性。該系統(tǒng)在蓄電池放電結(jié)束后等待光伏電池充電，當蓄電池電壓高于放電截止電壓時，比較光伏電池輸出電壓和設定輸出電壓時，大于時，Buck-Boost電路降壓，穩(wěn)壓支路從直流母線分流通過UC3906[6]充電電路為蓄電池充電;小于時，Buck-Boost電路升壓，蓄電池通過二極管向負載提供能量。在光伏電池無輸出且蓄電池放電結(jié)束時，由市電供電與光伏支路互補工作。

[1]Liang-Rui Chen，Chung-Ming Yonng，Neng-Yi Chu，Current-Shared Photovoltaic Power System[C].Power Electronics Conference(IPEC)，2010 International，Sapporo，June，2010:2591 －2597.

[2]王廈楠.獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其MPPT的研究[D].南京:南京航空航天大學，2008:24－25.

[3]任柱，陳淵睿，張淼.獨立光伏系統(tǒng)中蓄電池充電控制策略[J].控制理論與應用，2008，25(2):361 －363.

[4]唐友懷，張海濤，姜喆，等，基于Buck-Boost新型光伏系統(tǒng)的研究[J].機電一體化，2008，14(8):57 －60.

[5]吳透明，姚國興，孫磊.基于BUCK變換器的光伏電池最大功率跟蹤器[J].電測與儀表，2011，48(10):38－41.

[6]徐海輝，基于UC3906的太陽能充電控制器的設計[J].通信電源技術(shù)，2010，27(2):33－34.