基于双向DC/DC变换器的光伏电源系统

陶宁波

(杭州电子科技大学智能控制与机器人研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

随着传统能源的日益枯竭,太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源,而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式[1],其中独立运行的光伏发电系统是目前太阳能光伏发电应用非常重要的方式[2、3]。目前,国内外对光伏系统中的蓄电池能量管理控制和MPPT算法研究不够深入。本文根据太阳能电池和蓄电池的工作状态,采用双向DC-DC变换器控制蓄电池的充放电,使得蓄电池和太阳能电池这两种电源协调工作,保证供电系统的正常运行。许多文献已经对MPPT控制方法进行了研究[4、5],目前常用的方法都有各自的优缺点,本文在此提出了一种新型双模控制方法。

1 独立光伏电源系统的组成

本文提出的独立光伏电源系统组成框图如图1所示。该系统由以下几部分组成:光伏阵列、单向DC/DC、双向DC/DC、DC/AC、蓄电池、采样电路、驱动电路、控制器及负载。

图1 独立光伏电源系统组成框图

控制器通过检测光伏阵列输出电压、电流值并通过计算进行最大功率跟踪控制,由单向DC/DC电路实现;双向DC/DC变换器对蓄电池进行充放电控制,防止蓄电池过充过放,延长蓄电池寿命。同时对系统进行能量调配,白天太阳光充足时,系统在保证负载正常工作能量冗余的情况下给蓄电池充电,夜晚或阴雨天气太阳光严重不足时由蓄电池给负载继续供电,以保证负载可以全天候工作。

2 双向DC/DC变换器控制

对于图1所示系统的能流模型如图2所示。其中单向DC/DC变换器选用Boost变换器,双向DC/DC变换器选用双向Buck-Boost变换器。

图2 独立光伏电源系统能流模型

图2(a)中当PPV＞PO时,说明太阳能电池可以向负载提供足够的能量,多余的能量给蓄电池充电,双向变换器工作在Buck模式;图2(b)中当PPV＜PO时,太阳能电池不能向负载提供足够的能量,此时需要蓄电池放电补充负载所需能量,双向变换器工作在Boost模式;图2(c)中当PPV=PO时,说明太阳能电池输出能量与负载工作所需能量相匹配,双向变换器关断,或当蓄电池放电至低于过放电压,双向变换器也将被强行控制关断,以保护蓄电池不被损坏,延长蓄电池的使用寿命。双向DC/DC变换器控制流程图如图3所示,其中PPV为光伏电池输出功率、PO为负载功率、VBat_min为蓄电池过放点电压。蓄电池的工作状态可以通过检测其端电压VBat来确定。当VBat低于过放点电压VBat_min时,即VBat≤VBat_min,蓄电池处于过放状态;当VBat＞VBat_min时,蓄电池处于正常状态,既可以充电也可以放电。

图3 双向DC/DC变换器控制流程图

为了确保本文所提出的独立光伏电源系统能稳定、可靠以及高效的工作,必须保证太阳能电池和蓄电池两种电源协调工作,对系统能量流向进行管理。系统能量管理的核心就是根据太阳能电池和蓄电池的状态,来控制双向变换器能量传输的方向,使其工作在Buck、Boost或关断三种工作模式,以此来控制蓄电池的充放电,从而对整个系统进行能量管理,使得太阳能电池和蓄电池协调工作。

3 双模MPPT控制

针对目前常用的最大功率点跟踪方法存在着跟踪速度慢、准确度不够等缺点,本文提出一种新型双模控制方法,该方法结合了固定电压法与变步长扰动观察法的优点,很好地克服了以上缺点。当MPPT启动时采用具有良好动态特性的固定电压法,使光伏电池的工作电压直接调节到最大功率点附近,当系统实现固定电压法的控制目标后,再采用变步长扰动观察法进行跟踪微调,提高跟踪的准确度。与单纯变步长扰动观察法不同,当外界环境发生突变时,最大功率点跟踪控制由固定电压法实现。该算法流程图如图4所示。其中,Δu指固定电压法使用PI控制使输出电压稳定到Um上计算出的电压偏移量。定义系统在k时刻光伏阵列的输出电压及电流分别为Uk和Ik,系统根据光伏阵列的输出电压判断系统的工作状态。当满足Um-ΔU＜Uk＜Um+ΔU时采用变步长扰动观察法,此外采用固定电压法,其中ΔU是设定阀值。

图4 双模控制流程图

4 仿真研究

通过Matlab/Simulink建立系统仿真模型。光强在t=0.04s时由1 250W/m2突变降至600W/m2,在t=0.06s突变升至1 000W/m2。

图5 光伏阵列输出功率变化图

图6 逆变器输出电流变化图

标准温度时,不同光照强度下光伏阵列输出功率变化情况如图5所示,光照在t=0.04s时由1 250W/m2降至600W/m2,此时最大功率点的输出电压减小,双模控制算法在短时间扰动后稳定在最大功率点附近,当光照在t=0.06s时突变升至1 000W/m2,双模控制算法也可以很好地跟踪最大功率点,功率损失很小。由此表明双模控制算法在恶劣条件下如光照强度连续突变时都可以准确迅速地跟踪到太阳能电池的最大功率输出,图6中为逆变器输出电流随光强变化情况,当光强减小时逆变器输出电流减小,反之则增大,动态性能良好。

5 基于TMS320F2812 DSP的系统实现方案简介

基于TMS320F2812DSP[6]的系统框图如图7所示。包括DSP芯片、辅助电路、采样电路、驱动电路、扩展接口、功率板和操作面板。辅助电路主要包括DSP电源电路和时钟源电路,使DSP正常工作,为系统提供稳定的时钟振荡输入;采样电路完成模数转换,本系统需采样光伏阵列输出电压、光伏阵列输出电流、蓄电池端电压、蓄电池充放电电流、负载电压和负载电流共6路信号,分别采用霍尔电压电流传感器;采用电磁隔离驱动电路对功率管进行驱动;操作面板完成人机交互的工作,主要由LCD数码管、几个功能按键等组成,可以实时显示系统工作状态,并能够对系统参数进行设置,以确保系统正常可靠运行。

图7 基于TMS320F2812芯片的系统框图

6 结束语

本文提出一种新型独立光伏电源系统。该系统基于双向DC/DC变换器,其本身完成蓄电池的充放电任务,随外界光照天气变化情况,对系统能量流动进行实时调配,以保证负载的正常工作。然后提出了一种双模MPPT控制算法,由仿真实验可以看出,该算法可以满足在恶劣条件下快速准确地跟踪最大功率点输出。基于本文方法的新型光伏电源系统用途广泛。

[1] 戴欣平,马广,杨晓红.太阳能发电变频器驱动系统的最大功率追踪控制法[J].中国电机工程学报,2005,25(8):95-99.

[2] 廖志凌,阮新波.独立光伏发电系统能量管理控制策略[J].中国电机工程学报,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,武剑,栗秋华,等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术,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] 苏奎峰.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005:27-41.