太陽電池串聯(lián)均壓控制系統(tǒng)原理及設(shè)計

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，正受到人們越來越多的關(guān)注。
　　
為適應(yīng)不同負(fù)載所需的電壓等級，實際使用中以多塊太陽能電池串聯(lián)。為實現(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的的輸出功率較端電壓不相等時有很大提高。
　　
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。

圖1太陽能電池特性曲線

雙向功率流動CUK變換器
　　
在DC--DC變換器中，用具有單向?qū)щ娦缘木w管和場效應(yīng)管做開關(guān)，只能實現(xiàn)功率的單方向流動，而實際各太陽能電池板開路電壓差別正負(fù)是隨機(jī)的。需要一種可以實現(xiàn)功率雙方向流動DC--DC變換器。
　　
功率雙向流動CUK變換器（圖2）與傳統(tǒng)的單向功率流動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。這個電路具有對稱性，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CUK變換器

工作原理

1主電路
　　
在上述雙向功率流動的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)置兩個誤差放大器。這里使用其中一個做為電流內(nèi)環(huán)。


圖4　控制框圖
　　
兩塊太陽能電池板端電壓Ua,Ub對地極性相反，同時加到電壓環(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。

實驗結(jié)果

實驗電路參數(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
　　
實際測得負(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)為整個系統(tǒng)輸出功率比投入調(diào)節(jié)系統(tǒng)前增大約20％，整個串聯(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的CUK變換器調(diào)節(jié)兩組串聯(lián)太陽能電池功率流動，實現(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際情況下（平均轉(zhuǎn)換效率還不到18％），這一實驗結(jié)果對太陽能電池利用系統(tǒng)應(yīng)該具有一定的實踐借鑒意義.