太陽電池串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

近年來，隨著太陽電池的生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，太陽電池成本不斷下降，對(duì)太陽能的利用正在向深度和廣度發(fā)展。當(dāng)今一種清潔可再生新型綠色能源——太陽能，以其相比傳統(tǒng)化石能源得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，正受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。
　　
為適應(yīng)不同負(fù)載所需的電壓等級(jí)，實(shí)際使用中以多塊太陽能電池串聯(lián)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效率運(yùn)行，需要研究系統(tǒng)總輸出功率與各太陽能電池電氣參數(shù)之間的關(guān)系。有關(guān)資料表明，多塊太陽能電池串聯(lián)系統(tǒng)的輸出功率與各太陽能電池端電壓密切相關(guān)：當(dāng)各太陽能電池板端電壓相等時(shí)的的輸出功率較端電壓不相等時(shí)有很大提高。
　　
由太陽能電池的直流模型可知，太陽能電池是一個(gè)復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，其特性受自身工藝參數(shù)，太陽電池溫度，外界光照條件等諸多因素影響。圖1是兩塊太陽能電池I—V曲線（Uoc是開路電壓，Is是短路電流）。本文從兩塊太陽能電池串聯(lián)系統(tǒng)出發(fā)，探討系統(tǒng)的輸出功率在各太陽能電池端電壓的變化趨勢(shì)。

圖1太陽能電池特性曲線

雙向功率流動(dòng)CUK變換器
　　
在DC--DC變換器中，用具有單向?qū)щ娦缘木w管和場(chǎng)效應(yīng)管做開關(guān)，只能實(shí)現(xiàn)功率的單方向流動(dòng)，而實(shí)際各太陽能電池板開路電壓差別正負(fù)是隨機(jī)的。需要一種可以實(shí)現(xiàn)功率雙方向流動(dòng)DC--DC變換器。
　　
功率雙向流動(dòng)CUK變換器（圖2）與傳統(tǒng)的單向功率流動(dòng)CUK變換器不同的是：在原來開關(guān)管Q1和二極管D1兩端分別反向并聯(lián)二極管D2和開關(guān)管Q2如圖3所示。這個(gè)電路具有對(duì)稱性，輸入輸出電流方向可正可負(fù)。右邊負(fù)載R換為下正上負(fù)電壓源Vs，左邊電壓源Vs換為負(fù)載R,則功率從右向左倒流[2]。

圖2　功率雙向流動(dòng)CUK變換器

工作原理

1主電路
　　
在上述雙向功率流動(dòng)的CUK變換器的基礎(chǔ)上，組成了雙太陽能電池串聯(lián)均壓系統(tǒng)的主電路,如圖3所示。其中：PANELA　PANELB分別為兩塊相串聯(lián)的太陽能電池板，L1,L2為緊耦合電感，C為能量交換電容，G1G2為開關(guān)管，D1D2為快恢復(fù)二極管，R1R2為開關(guān)管漏極電流取樣電阻，R為負(fù)載電阻。


圖3　　系統(tǒng)主電路原理圖

2控制電路
　　
系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。調(diào)節(jié)系統(tǒng)以美國(guó)德州儀器公司（TEXASINSTRUMENTS）的脈寬調(diào)制芯片TL494為核心，采用傳統(tǒng)的電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方案。TL494是一種電壓型脈寬調(diào)制芯片，內(nèi)置兩個(gè)誤差放大器。這里使用其中一個(gè)做為電流內(nèi)環(huán)。


圖4　控制框圖
　　
兩塊太陽能電池板端電壓Ua,Ub對(duì)地極性相反，同時(shí)加到電壓環(huán)輸入端。經(jīng)過電壓環(huán)比例積分環(huán)節(jié)和絕對(duì)值運(yùn)算，送到TL494的誤差放大器反相輸入端（2腳），作為電流環(huán)的給定，同時(shí)電壓環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器的輸出經(jīng)放大后決定封鎖G1或G2。即作為極性開關(guān)，采樣電流送至TL494的誤差放大器同相輸入端（1腳）。TL494的13腳上拉為高電平，設(shè)置為推挽輸出方式，調(diào)制脈沖輸出端8腳和11腳輸出脈沖頻率為振蕩器頻率1/2的PWM的方波，經(jīng)圖騰柱電路放大后，推動(dòng)開關(guān)管Q1和Q2。
　　
系統(tǒng)投入運(yùn)行后，假設(shè)Ua>Ub，電壓環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器的輸出高電平封鎖Q2的驅(qū)動(dòng)電路，TL494的調(diào)制脈沖輸出端A(8腳)輸出PWM方波無效，只有Q1導(dǎo)通,功率從PANEL　A流向PANELB,Ua下降，Ub上升，最終Ua＝Ub。反之，Ua<Ub，電壓環(huán)比例積分調(diào)節(jié)器的輸出高電平封鎖Q1的驅(qū)動(dòng)電路，TL494的調(diào)制脈沖輸出端B(11)腳輸出PWM方波無效，只有Q2導(dǎo)通,功率從PANELB流向PANELA，Ua上升，Ub下降，最終亦Ua＝Ub。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)如下：
    控制系統(tǒng)投入前，Ua＝17.1v，Ub＝15.5v，I=75.1ma，R=434歐姆。
　控制系統(tǒng)投入后，Ua＝16.0v，Ub＝16.1v，I=81.7ma。R=434歐姆
　　
實(shí)際測(cè)得負(fù)載電流比投入調(diào)節(jié)系統(tǒng)前增大約10%，由P=I2*R，考慮控制系統(tǒng)自身少量開關(guān)損耗，可以認(rèn)為整個(gè)系統(tǒng)輸出功率比投入調(diào)節(jié)系統(tǒng)前增大約20％，整個(gè)串聯(lián)太陽能電池系統(tǒng)效率明顯改善。

本文以功率可雙向流動(dòng)的CUK變換器調(diào)節(jié)兩組串聯(lián)太陽能電池功率流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)端電壓均衡，提高了輸出功率；證明了多塊太陽能電池板串聯(lián)系統(tǒng)的輸出功率與各太陽能電池板端電壓密切相關(guān)。在目前太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率還比較低的實(shí)際情況下（平均轉(zhuǎn)換效率還不到18％），這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)太陽能電池利用系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的實(shí)踐借鑒意義.