太陽(yáng)能電池串聯(lián)均壓控制系統原理及設計

隨著(zhù)太陽(yáng)電池的生產(chǎn)規模的擴大，太陽(yáng)電池成本不斷下降，對太陽(yáng)能的利用正在向深度和廣度發(fā)展。當今一種清潔可再生新型綠色能源——太陽(yáng)能，以其相比傳統化石能源得天獨厚的優(yōu)勢，正受到人們越來(lái)越多的關(guān)注。

　　為適應不同負載所需的電壓等級，實(shí)際使用中以多塊太陽(yáng)能電池串聯(lián)。為實(shí)現系統高效率運行，需要研究系統總輸出功率與各太陽(yáng)能電池電氣參數之間的關(guān)系。有關(guān)資料表明，多塊太陽(yáng)能電池串聯(lián)系統的輸出功率與各太陽(yáng)能電池端電壓密切相關(guān)：當各太陽(yáng)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(yáng)能電池的直流模型可知，太陽(yáng)能電池是一個(gè)復雜的非線(xiàn)性系統，其特性受自身工藝參數，太陽(yáng)電池溫度，外界光照條件等諸多因素影響。圖1是兩塊太陽(yáng)能電池I—V曲線(xiàn)（Uoc是開(kāi)路電壓，Is是短路電流）。本文從兩塊太陽(yáng)能電池串聯(lián)系統出發(fā)，探討系統的輸出功率在各太陽(yáng)能電池端電壓的變化趨勢。

圖1太陽(yáng)能電池特性曲線(xiàn)

　　雙向功率流動(dòng)CUK變換器

　　在DC--DC變換器中，用具有單向導電性的晶體管和場(chǎng)效應管做開(kāi)關(guān)，只能實(shí)現功率的單方向流動(dòng)，而實(shí)際各太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓差別正負是隨機的。需要一種可以實(shí)現功率雙方向流動(dòng)DC--DC變換器。

　　功率雙向流動(dòng)CUK變換器（圖2）與傳統的單向功率流動(dòng)CUK變換器不同的是：在原來(lái)開(kāi)關(guān)管Q1和二極管D1兩端分別反向并聯(lián)二極管D2和開(kāi)關(guān)管Q2如圖3所示。這個(gè)電路具有對稱(chēng)性，輸入輸出電流方向可正可負。右邊負載R換為下正上負電壓源Vs，左邊電壓源Vs換為負載R,則功率從右向左倒流。

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變換器的基礎上，組成了雙太陽(yáng)能電池串聯(lián)均壓系統的主電路,如圖3所示。其中：PANELA　PANELB分別為兩塊相串聯(lián)的太陽(yáng)能電池板，L1,L2為緊耦合電感，C為能量交換電容，G1G2為開(kāi)關(guān)管，D1D2為快恢復二極管，R1R2為開(kāi)關(guān)管漏極電流取樣電阻，R為負載電阻。

圖3　　系統主電路原理圖

　　2控制電路

　　系統控制框圖如圖4所示。調節系統以美國德州儀器公司（TEXASINSTRUMENTS）的脈寬調制芯片TL494為核心，采用傳統的電壓外環(huán)，電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制方案。TL494是一種電壓型脈寬調制芯片，內置兩個(gè)誤差放大器。這里使用其中一個(gè)做為電流內環(huán)。

圖4　控制框圖

　　兩塊太陽(yáng)能電池板端電壓Ua,Ub對地極性相反，同時(shí)加到電壓環(huán)輸入端。經(jīng)過(guò)電壓環(huán)比例積分環(huán)節和絕對值運算，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)比例積分調節器的輸出經(jīng)放大后決定封鎖G1或G2。即作為極性開(kāi)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，設置為推挽輸出方式，調制脈沖輸出端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(kāi)關(guān)管Q1和Q2。

　　系統投入運行后，假設Ua>Ub，電壓環(huán)比例積分調節器的輸出高電平封鎖Q2的驅動(dòng)電路，TL494的調制脈沖輸出端A(8腳)輸出PWM方波無(wú)效，只有Q1導通,功率從PANEL　A流向PANELB,Ua下降，Ub上升，最終Ua＝Ub。反之，Ua

　　實(shí)驗結果

　　實(shí)驗電路參數如下：

　　控制系統投入前，Ua＝17.1v，Ub＝15.5v，I=75.1ma，R=434歐姆。

　　控制系統投入后，Ua＝16.0v，Ub＝16.1v，I=81.7ma。R=434歐姆

　　實(shí)際測得負載電流比投入調節系統前增大約10%，由P=I2*R，考慮控制系統自身少量開(kāi)關(guān)損耗，可以認為整個(gè)系統輸出功率比投入調節系統前增大約20％，整個(gè)串聯(lián)太陽(yáng)能電池系統效率明顯改善。

　　本文以功率可雙向流動(dòng)的CUK變換器調節兩組串聯(lián)太陽(yáng)能電池功率流動(dòng)，實(shí)現端電壓均衡，提高了輸出功率；證明了多塊太陽(yáng)能電池板串聯(lián)系統的輸出功率與各太陽(yáng)能電池板端電壓密切相關(guān)。在目前太陽(yáng)能電池光電轉換效率還比較低的實(shí)際情況下（平均轉換效率還不到18％），這一實(shí)驗結果對太陽(yáng)能電池利用系統應該具有一定的實(shí)踐借鑒意義。