一种光伏模拟电源的设计

2013-12-18李帆

电子科技 2013年5期

李帆

(西安科技大学电气与控制学院，陕西西安 710054)

能源是当今发展生存不可或缺的，随着时间的推移，能源越来越少，具体表现在其价格的不断上涨。在能源稀缺的背景下，开发出一种新能源则尤为重要。太阳能由于取之不尽、用之不竭等优点成为最具潜力的可再生能源之一其以安全性、相对的广泛性、资源的充足性及潜在的经济性等优点成为了未来各国能源战略中的重要组成部分。文中对太阳能的利用大致可分为光热转换和光电转换［1］。其中光电转换近年发展较快，也是最具经济潜力的能源开发领域。将光伏发电的能量经过升压逆变及并网等过程变为可使用的市电。在使用时存在着一定的效率，要想提高其转化效率必须使其工作在最大功率点处近期出现了众多的光伏器件，例如:光伏逆变器，是将太阳能电池板发出的直流电转化为交流电然后与市电完成并网，其带有最大功率点跟踪的功能。而光伏模拟电源则可根据外界给定参数产生光伏曲线，为被测带有MPPT功能的光伏逆变器提供测试环境。

1 太阳能电池的等效电路

为能清楚地描述电路的工作状态，往往将太阳能电池及负载系统用一等效电路模型表示，如图1所示［2］。

图1 太阳能电池等效电路

太阳能电池可表示为一个感光电流源和一个二极管的并联，由于电池材料存在缺陷和欧姆损耗，太阳能电池模型必须分别用串联电阻Rs和分流电阻Rsh表示这些损耗。根据电路理论，目前普遍使用的硅太阳能电池数学模型为

其中，I为光伏电池的输出电流;V为光伏电池的输出电压;Iph为太阳能电池光生电流;Ish为二极管饱和电流;q为电子的电荷量1.6×1019C;Rs为光伏电池串联等效电阻;Rsh为光伏电池并联等效电阻;n为无量纲的任意曲线拟合常数;K为波尔兹曼常数1.3×1023J/K;T为太阳能电池温度。

2 太阳能电池的输出特性

根据式(1)可将太阳能电池的I－V和P－V曲线表示出来，如图2所示。

图2 光伏电池U－I曲线和P－U曲线

可知I=f(T，V，S)，S为日照强度。即太阳能电池的输出电压和电流特性与光照强度S和电池温度T有关。

由于温度和光照的变化，输出曲线实际上是形状相似的一系列曲线族。根据给定的光伏阵列在标准测试条件下提供的参数和输入的日照温度，计算当前的I－U曲线，以一定的时间间隔将其离散化成二维浮点数，将其存储在单片机的RAM中。由此给被测试器件提供一个可复现真实太阳能电池特性曲线的非线性电源。

3 系统总体设计

由于太阳能电池受外界影响较大，文中设计的基于整流滤波、开关电源和最大功率点跟踪的硬件电路。太阳能模拟电池的系统如图3所示。

图3 系统总体框架

通过整流滤波将220 V降压后经BUCK电路将其变为约60 V，后接负载。对主回路(开关电源)的电压进行采样送入误差比较放大器，将电流采样信号送入单片机，将单片机中存储与电流所对应的电压值，经D/A转换送至误差比较放大器作为基准电压，再经误差比较放大器反馈给主回路。使其能准确模拟U－I曲线，将最大功率点的电压、电流和功率显示出来。

4 主控电路设计

主控电路主要由整流滤波电路和开关电源两部分组成［3］。

4.1 整流滤波电路

图4 整流滤波电路

整流滤波电路原理:整流电路利用单相导电性能的整流器件二极管将方向和大小均有变化的50 Hz交流电，变换为方向大小仍有脉动的直流电。滤波电路利用储能元件电容两端电压不可突变或电感两端电流不可突变的原理，此处采用电容滤波，再将电容与整流电路的负载并联，将整流电路中的交流成分大多加以滤除，从而得到较为平滑的直流电。

4.2 电源电路

稳压电源部分采用BUCK降压电路，对PWM的占空比控制则通过加电压反馈闭环回路来计算。如图5所示。

图5 DC－DC降压式开关电源

具体步骤为［4］:(1)对输出端进行电压采样，将采样信号送入误差放大器。(2)对输出端进行电流采样，在已知的单片机存储器中找出相对应的电压值作为误差比较放大器的基准电压，这可使输出电流和电压工作在预先设定的I－V曲线上。(3)将存储器中的电压和输出采样电压送入误差比较放大器，经过脉冲宽度调制原理，得到瞬时的脉冲。

加入误差比较放大可提高控制系统的灵敏度，使输出更为稳定。

已知