一種新型光伏控制器PWM控制的解決方案

　　0 引言

　　在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，太陽(yáng)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，DC/DC型又可細(xì)分為MPPT型和諧振型等多種，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(shì)，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)，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(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，電子功率開關(guān)器件的開關(guān)能量損失很小；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(wú)法實(shí)現(xiàn)。

　?。?）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(guò)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(yáng)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(guò)充或過(guò)放而報(bào)廢。

　?。?）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。

　　2 精粗調(diào)組合PWM新控制方案

　　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控制的新控制方案。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控制的實(shí)現(xiàn)

　　本控制器的微處理器采用的是C8051F020單片機(jī)，如圖1所示。

　　通過(guò)外部2個(gè)電流傳感器和電壓檢測(cè)電路，分別經(jīng)過(guò)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(guò)程分為強(qiáng)充、均充、吸收和浮充4個(gè)過(guò)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(guò)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，其第1路光伏子陣的PWM電壓、電流和總光伏電流波形如圖4所示。

　　這里的電壓是指功率電子開關(guān)兩端電壓，而在一個(gè)相對(duì)時(shí)間里，第2路到第6路光伏子陣電壓和電流變化很少（除非粗調(diào)有動(dòng)作），否則就是直線。

　　4 結(jié)論

　　本方案只有1個(gè)光伏子陣列采用PWM控制，其余的光伏子陣列仍然采用普通的開關(guān)控制，與全部光伏陣列并聯(lián)后進(jìn)行總的PWM控制相比，這種精粗調(diào)組合實(shí)現(xiàn)的PWM精確控制其PWM開關(guān)能量損耗減少了（N-1）/N（N為光伏子陣列個(gè)數(shù)），縮小了散熱片體積；由于仍然采用多個(gè)獨(dú)立的光伏子陣列分別控制，在相同的電壓等級(jí)下，對(duì)功率開關(guān)器件的電流等級(jí)要求很低，可以采用低成本的功率開關(guān)器件并聯(lián)實(shí)現(xiàn)1個(gè)子陣，降低了成本，同時(shí)又兼有對(duì)全部光伏陣列進(jìn)行PWM控制的高精度電流輸出，經(jīng)測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)壓輸出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由于參與PWM斬波的電流小，電磁兼容性好，已經(jīng)通過(guò)了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，并取得CE認(rèn)證。已在-48 V標(biāo)稱電壓、30 A~400 A電流范圍的系列光伏控制器上得到實(shí)際應(yīng)用。運(yùn)行實(shí)踐表明，此方案完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。