一種新型光伏控制器PWM控制方法

　　在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)， 太陽能的發(fā)電利用光伏控制器、蓄電池組、光伏電池板組成獨(dú)立光伏發(fā)電站， 其中光伏控制器是整個(gè)電站的核心。光伏控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常有DC/DC 型和直通型兩大類[ 1]，DC/DC 型又可細(xì)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(yīng)用時(shí)， 其體積、重量和熱量都會(huì)急劇增加， 限制了其在大功率領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用； 而直通型控制器在大功率領(lǐng)域則相對(duì)具有優(yōu)勢， 即使光伏電流達(dá)到幾百安培， 其體積、重量和熱量相對(duì)都不會(huì)太大， 因此直通型控制器在移動(dòng)通信基站、邊防哨卡等大功率領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但直通型控制器仍然存在著一些缺陷， 以下對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

　　1 現(xiàn)有控制方式的不足

　　現(xiàn)有的直通型光伏控制器對(duì)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(jí)投入式系統(tǒng)[ 3]， 即將光伏電池分成N 個(gè)獨(dú)立的光伏子陣列， 定義N 個(gè)蓄電池電壓控制點(diǎn)Vi (i =1 ，2，…N；Vi<Vi+1) ， 當(dāng)蓄電池電壓大于Vi時(shí)， 第i 個(gè)光伏子陣列關(guān)斷， 反之則導(dǎo)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(jí)減少； 反之則逐級(jí)增大。優(yōu)點(diǎn)： 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(shí)現(xiàn)， 電子功率開關(guān)器件的開關(guān)能量損失很�。� 缺點(diǎn)： 控制精度不高， 電壓波動(dòng)范圍大， 一些先進(jìn)的自動(dòng)控制算法無法實(shí)現(xiàn)。(2) 在此基礎(chǔ)上增加了時(shí)間因素的改良型控制方式， 將蓄電池電壓控制點(diǎn)設(shè)置為1 個(gè)控制點(diǎn)Vs 。當(dāng)蓄電池電壓大于Vs 時(shí)， 第i 個(gè)光伏子陣列關(guān)斷， 延時(shí)1 個(gè)固定時(shí)間后， 如果蓄電池電壓仍然大于Vs ， 再關(guān)斷第i +1個(gè)光伏子陣列， 依次類推， 直到第N 個(gè)光伏子陣列關(guān)斷； 反之則導(dǎo)通， 導(dǎo)通過程同樣有上述延時(shí)。優(yōu)點(diǎn)： 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(yōu)點(diǎn)； 缺點(diǎn)： 容易導(dǎo)致控制器的震蕩，尤其是延遲時(shí)間的選擇， 要隨著太陽能電池、蓄電池容量和負(fù)載的配置變化而變化， 否則會(huì)導(dǎo)致失控， 嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致蓄電池過充或過放而報(bào)廢。(3) 脈寬調(diào)制式系統(tǒng)( 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(lián)后形成1 個(gè)總的光伏電池陣列， 再以大功率電子開關(guān)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(gè)電壓點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)： 電壓控制精度高， 可采用各種先進(jìn)的自動(dòng)控制算法； 缺點(diǎn)： 功率電子開關(guān)器件的開關(guān)功率損耗較大， 在相同的電壓等級(jí)下， 對(duì)功率電子開關(guān)器件的電流等級(jí)要求很高，對(duì)器件要求苛刻， 對(duì)于大功率光伏控制器， 散熱片體積較大。

[$page]　　2 精粗調(diào)組合PWM 新控制方法

　　針對(duì)上述3 種方案的缺點(diǎn)， 本文提出了一種精粗調(diào)組合PWM 控制的新控制方法。仍然將光伏電池分成N個(gè)獨(dú)立的相同配置的光伏子陣列(i=1 ，2，…N)， 但是只有第1 個(gè)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(guān)控制， 控制方式為： 假設(shè)N 個(gè)光伏子陣列全部導(dǎo)通時(shí)的總光伏電流為I， 則每個(gè)光伏子陣列單獨(dú)導(dǎo)通時(shí)的光伏電流為I/N，如果第1 個(gè)光伏子陣列的PWM 控制占空比變化范圍為0~K， 則第1 個(gè)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(gè)光伏子陣列的PWM 精確控制和其余N-1 個(gè)光伏子陣列的開關(guān)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(gè)光伏子陣列導(dǎo)通的個(gè)數(shù)，m =0 ~N -1(m=0 ， 表示其余N-1 個(gè)光伏子陣列全部關(guān)斷)； 控制器只需要選擇計(jì)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(dāng)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(diào)組合PWM 控制實(shí)現(xiàn)

　　本控制器的微處理器采用的是C8051F020 單片機(jī)[ 4]，如圖1 所示。通過外部2 個(gè)電流傳感器和電壓檢測電路， 分別經(jīng)過微處理器內(nèi)部AD 轉(zhuǎn)換獲取光伏電流、負(fù)載電流和蓄電池電壓等參數(shù)。微處理器同時(shí)發(fā)出N 個(gè)開關(guān)控制信號(hào)， 其中第1 個(gè)信號(hào)由微處理器內(nèi)部的PWM 控制單元產(chǎn)生， 第2~N 個(gè)信號(hào)由微處理器內(nèi)部的普通數(shù)字I/O 口(非PWM)產(chǎn)生。當(dāng)?shù)趇 個(gè)功率電子器件被控制導(dǎo)通時(shí)， 第i 個(gè)光伏子陣給蓄電池充電， 并為負(fù)載供電， 對(duì)蓄電池充電控制的原則是在不同的時(shí)段進(jìn)行不同的恒壓充電。充電過程分為強(qiáng)充、均充、吸收和浮充4 個(gè)過程， 除強(qiáng)充外， 均充、吸收和浮充3 個(gè)階段都是恒壓控制， 對(duì)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(diào)節(jié)算法， 再配合精粗調(diào)組合PWM 控制方法綜合實(shí)現(xiàn)。

　　控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，VS是蓄電池電壓設(shè)定值，VO是蓄電池電壓實(shí)際輸出值， 二者之差△V輸入PI 調(diào)節(jié)器， 得到期望輸出電流IO， 對(duì)IO采用精粗調(diào)組合PWM 實(shí)現(xiàn)， 實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3 所示。即： 將IO除以(I/N)， 取余數(shù)得到j(luò)， 取整數(shù)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(gè)導(dǎo)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(fù)載， 通過PI算法維持蓄電池輸出電壓VO為恒壓。在一個(gè)由6 路光伏子陣組成的控制系統(tǒng)里