李 帆

(西安科技大學電氣與控制學院，陜西西安 710054)

能源是當今發(fā)展生存不可或缺的，隨著時間的推移，能源越來越少，具體表現(xiàn)在其價格的不斷上漲。在能源稀缺的背景下，開發(fā)出一種新能源則尤為重要。太陽能由于取之不盡、用之不竭等優(yōu)點成為最具潛力的可再生能源之一其以安全性、相對的廣泛性、資源的充足性及潛在的經(jīng)濟性等優(yōu)點成為了未來各國能源戰(zhàn)略中的重要組成部分。文中對太陽能的利用大致可分為光熱轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換［1］。其中光電轉(zhuǎn)換近年發(fā)展較快，也是最具經(jīng)濟潛力的能源開發(fā)領(lǐng)域。將光伏發(fā)電的能量經(jīng)過升壓逆變及并網(wǎng)等過程變?yōu)榭墒褂玫氖须姟Ｔ谑褂脮r存在著一定的效率，要想提高其轉(zhuǎn)化效率必須使其工作在最大功率點處近期出現(xiàn)了眾多的光伏器件，例如:光伏逆變器，是將太陽能電池板發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為交流電然后與市電完成并網(wǎng)，其帶有最大功率點跟蹤的功能。而光伏模擬電源則可根據(jù)外界給定參數(shù)產(chǎn)生光伏曲線，為被測帶有MPPT功能的光伏逆變器提供測試環(huán)境。

1 太陽能電池的等效電路

為能清楚地描述電路的工作狀態(tài)，往往將太陽能電池及負載系統(tǒng)用一等效電路模型表示，如圖1所示［2］。

圖1 太陽能電池等效電路

太陽能電池可表示為一個感光電流源和一個二極管的并聯(lián)，由于電池材料存在缺陷和歐姆損耗，太陽能電池模型必須分別用串聯(lián)電阻Rs和分流電阻Rsh表示這些損耗。根據(jù)電路理論，目前普遍使用的硅太陽能電池數(shù)學模型為

其中，I為光伏電池的輸出電流;V為光伏電池的輸出電壓;Iph為太陽能電池光生電流;Ish為二極管飽和電流;q為電子的電荷量1.6×1019C;Rs為光伏電池串聯(lián)等效電阻;Rsh為光伏電池并聯(lián)等效電阻;n為無量綱的任意曲線擬合常數(shù);K為波爾茲曼常數(shù)1.3×1023J/K;T為太陽能電池溫度。

2 太陽能電池的輸出特性

根據(jù)式(1)可將太陽能電池的I－V和P－V曲線表示出來，如圖2所示。

圖2 光伏電池U－I曲線和P－U曲線

可知I=f(T，V，S)，S為日照強度。即太陽能電池的輸出電壓和電流特性與光照強度S和電池溫度T有關(guān)。

由于溫度和光照的變化，輸出曲線實際上是形狀相似的一系列曲線族。根據(jù)給定的光伏陣列在標準測試條件下提供的參數(shù)和輸入的日照溫度，計算當前的I－U曲線，以一定的時間間隔將其離散化成二維浮點數(shù)，將其存儲在單片機的RAM中。由此給被測試器件提供一個可復現(xiàn)真實太陽能電池特性曲線的非線性電源。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

由于太陽能電池受外界影響較大，文中設(shè)計的基于整流濾波、開關(guān)電源和最大功率點跟蹤的硬件電路。太陽能模擬電池的系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體框架

通過整流濾波將220 V降壓后經(jīng)BUCK電路將其變?yōu)榧s60 V，后接負載。對主回路(開關(guān)電源)的電壓進行采樣送入誤差比較放大器，將電流采樣信號送入單片機，將單片機中存儲與電流所對應(yīng)的電壓值，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換送至誤差比較放大器作為基準電壓，再經(jīng)誤差比較放大器反饋給主回路。使其能準確模擬U－I曲線，將最大功率點的電壓、電流和功率顯示出來。

4 主控電路設(shè)計

主控電路主要由整流濾波電路和開關(guān)電源兩部分組成［3］。

4.1 整流濾波電路

圖4 整流濾波電路

整流濾波電路原理:整流電路利用單相導電性能的整流器件二極管將方向和大小均有變化的50 Hz交流電，變換為方向大小仍有脈動的直流電。濾波電路利用儲能元件電容兩端電壓不可突變或電感兩端電流不可突變的原理，此處采用電容濾波，再將電容與整流電路的負載并聯(lián)，將整流電路中的交流成分大多加以濾除，從而得到較為平滑的直流電。

4.2 電源電路

穩(wěn)壓電源部分采用BUCK降壓電路，對PWM的占空比控制則通過加電壓反饋閉環(huán)回路來計算。如圖5所示。

圖5 DC－DC降壓式開關(guān)電源

具體步驟為［4］:(1)對輸出端進行電壓采樣，將采樣信號送入誤差放大器。(2)對輸出端進行電流采樣，在已知的單片機存儲器中找出相對應(yīng)的電壓值作為誤差比較放大器的基準電壓，這可使輸出電流和電壓工作在預先設(shè)定的I－V曲線上。(3)將存儲器中的電壓和輸出采樣電壓送入誤差比較放大器，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制原理，得到瞬時的脈沖。

加入誤差比較放大可提高控制系統(tǒng)的靈敏度，使輸出更為穩(wěn)定。

已知

可知，功率與負載及電流有關(guān)。負載可通過硬件手動調(diào)節(jié)，而電流可經(jīng)單片機調(diào)節(jié)，輸出不同條件下的P－I和I－U曲線。即最大功率可看成一個有關(guān)I的函數(shù)

為對被測光伏逆變器的最大功率點進行跟蹤測試，只需檢測被測物的輸出電流即可。

5 結(jié)束語

隨著太陽能的廣泛利用，文中所介紹的光伏模擬電源可通過用戶所需參數(shù)以手工或通訊手段對裝置進行設(shè)定，實時地計算出I－V特性曲線。該設(shè)計簡便且成本較小，易于廣泛使用。

［1］蔡先武.光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的最大功率點追蹤控制［J］.電子工業(yè)專用設(shè)備，2008(11):48－52.

［2］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［3］李先允.電力電子技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2006.

［4］雷元超，陳春根，沈駿，等.光伏電源最大功率點跟蹤控制方法研究［J］.電工電能新技術(shù)，2004，23(3):76 －80.