一种新型光伏控制器PWM控制方法

在远离电网的偏远地区，太阳能的发电利用光伏控制器、蓄电池组、光伏电池板组成独立光伏发电站，其中光伏控制器是整个电站的核心。光伏控制器的拓扑结构通常有DC/DC型和直通型两大类[1]，DC/DC型又可细分为MPPT型[2]和谐振型等多种，但DC/DC型控制器由于有大的感性元件的存在，在大电流应用时，其体积、重量和热量都会急剧增加，限制了其在大功率领域的实际应用；而直通型控制器在大功率领域则相对具有优势，即使光伏电流达到几百安培，其体积、重量和热量相对都不会太大，因此直通型控制器在移动通信基站、边防哨卡等大功率领域得到了广泛的应用。但直通型控制器仍然存在着一些缺陷，以下对其优缺点进行分析。
1 现有控制方式的不足
    现有的直通型光伏控制器对蓄电池充放电的控制通常采用3类充放电控制模式。(1)逐级投入式系统[3]，即将光伏电池分成N个独立的光伏子阵列，定义N个蓄电池电压控制点V_i(i=1，2，…N；V_i<V_i+1)，当蓄电池电压大于Vi时，第i个光伏子阵列关断，反之则导通。这样就形成了随着蓄电池电压的增加，充电电流阶梯式逐级减少；反之则逐级增大。优点：这种充电控制方式基本满足了蓄电池的充电需要，控制逻辑简单、易于实现，电子功率开关器件的开关能量损失很小；缺点：控制精度不高，电压波动范围大，一些先进的自动控制算法无法实现。(2)在此基础上增加了时间因素的改良型控制方式，将蓄电池电压控制点设置为1个控制点Vs。当蓄电池电压大于Vs时，第i个光伏子阵列关断，延时1个固定时间后，如果蓄电池电压仍然大于Vs，再关断第i+1个光伏子阵列，依次类推，直到第N个光伏子阵列关断；反之则导通，导通过程同样有上述延时。优点：这种充电控制方式减少了蓄电池电压的变化范围，兼有前一种充电控制方式的优点；缺点：容易导致控制器的震荡，尤其是延迟时间的选择，要随着太阳能电池、蓄电池容量和负载的配置变化而变化，否则会导致失控，严重者会导致蓄电池过充或过放而报废。(3)脉宽调制式系统(全控型的PWM控制方式)，即光伏电池不分子阵列，将全部光伏子阵列并联后形成1个总的光伏电池阵列，再以大功率电子开关做全通全断型PWM控制，此法可将蓄电池电压精确控制在1个电压点。优点：电压控制精度高，可采用各种先进的自动控制算法；缺点：功率电子开关器件的开关功率损耗较大，在相同的电压等级下，对功率电子开关器件的电流等级要求很高，对器件要求苛刻，对于大功率光伏控制器，散热片体积较大。
2 精粗调组合PWM新控制方法
    针对上述3种方案的缺点，本文提出了一种精粗调组合PWM控制的新控制方法。仍然将光伏电池分成N个独立的相同配置的光伏子阵列(i=1，2，…N)，但是只有第1个光伏子阵列(i=1)采用PWM控制，其余的光伏子阵列(i=2，3，…N)仍然采用普通的开关控制，控制方式为：假设N个光伏子阵列全部导通时的总光伏电流为I，则每个光伏子阵列单独导通时的光伏电流为I/N，如果第1个光伏子阵列的PWM控制占空比变化范围为0~K，则第1个光伏子阵列的PWM电流可以精确控制到(j/K)×(I/N)，其中j=0~K变化；如果将第1个光伏子阵列的PWM精确控制和其余N-1个光伏子阵列的开关粗略控制相配合，则可以得到电流变化范围在0~I之间的任意的精确电流输出，其值为：(j/K+m)×(I/N)，其中m是其余N-1个光伏子阵列导通的个数，m=0~N-1(m=0，表示其余N-1个光伏子阵列全部关断)；控制器只需要选择计算m(0~N-1)和j(0~K)值的大小，就可以控制精确的光伏电流输出，电流分辨精度为I/(KN)，相当于前述第3类全控型的PWM控制方式中PWM占空比变化范围是0~KN的控制效果。
3 精粗调组合PWM控制实现
    本控制器的微处理器采用的是C8051F020单片机[4]，如图1所示。通过外部2个电流传感器和电压检测电路，分别经过微处理器内部AD转换获取光伏电流、负载电流和蓄电池电压等参数。微处理器同时发出N个开关控制信号，其中第1个信号由微处理器内部的PWM控制单元产生，第2~N个信号由微处理器内部的普通数字I/O口(非PWM)产生。当第i个功率电子器件被控制导通时，第i个光伏子阵给蓄电池充电，并为负载供电，对蓄电池充电控制的原则是在不同的时段进行不同的恒压充电。充电过程分为强充、均充、吸收和浮充4个过程，除强充外，均充、吸收和浮充3个阶段都是恒压控制，对蓄电池的恒压控制可以采用各种智能控制算法，本控制器具体采用的是PI(比例积分)调节算法，再配合精粗调组合PWM控制方法综合实现。

    控制系统传递函数结构如图2所示，VS是蓄电池电压设定值，VO是蓄电池电压实际输出值，二者之差△V输入PI调节器，得到期望输出电流IO，对IO采用精粗调组合PWM实现，实现流程图如图3所示。即：将IO除以(I/N)，取余数得到j，取整数得到m。再令第1路光伏子阵列的PWM占空比为j，令其余光伏子阵列中有m个导通，剩余的光伏子阵列断开，则得到精确的IO输出:IO=(j/K+m)×(I/N)。该电流提供给蓄电池和负载，通过PI算法维持蓄电池输出电压VO为恒压。在一个由6路光伏子阵组成的控制系统里，其第1路光伏子阵的PWM电压、电流和总光伏电流波形如图4所示。这里的电压是指功率电子开关两端电压，而在一个相对时间里，第2路到第6路光伏子阵电压和电流变化很少(除非粗调有动作)，否则就是直线。

    本方案只有1个光伏子阵列采用PWM控制，其余的光伏子阵列仍然采用普通的开关控制，与全部光伏阵列并联后进行总的PWM控制相比，这种精粗调组合实现的PWM精确控制其PWM开关能量损耗减少了(N-1)/N(N为光伏子阵列个数)，缩小了散热片体积；由于仍然采用多个独立的光伏子阵列分别控制，在相同的电压等级下，对功率开关器件的电流等级要求很低，可以采用低成本的功率开关器件并联实现1个子阵[5]，降低了成本，同时又兼有对全部光伏阵列进行PWM控制的高精度电流输出，经测试系统稳压输出符合国家标准[6]。由于参与PWM斩波的电流小，电磁兼容性好，已经通过了电磁兼容标准测试，并取得CE认证。已在-48 V标称电压、30 A~400 A电流范围的系列光伏控制器上得到实际应用。运行实践表明，此方案完全达到了预期设计效果。