關(guān)斷儲(chǔ)能太陽(yáng)光伏電池充電電路的分析與設(shè)計(jì)

1、關(guān)斷儲(chǔ)能太陽(yáng)光伏電池充電電路的分析與設(shè)計(jì)第29卷第4期2008年4月太陽(yáng)能ACrAENERGIAES0LARIsSINIcAV01.29.No.4Apr.,2O08文章編號(hào)-0254.0O96(2O08)O4.04O4.03關(guān)斷儲(chǔ)能太陽(yáng)光伏電池充電電路的分析與設(shè)計(jì)高歌(上海工程技術(shù)大學(xué),上海201620)摘要:介紹了一種關(guān)斷電路,能夠?qū)⑻?yáng)光伏電池的輸出電壓穩(wěn)定在最佳狀態(tài),保持穩(wěn)定的充電電流,可延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命.電路通過(guò)儲(chǔ)能設(shè)計(jì),使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的電流盡可能被儲(chǔ)存,以提高能量利用效率.關(guān)鍵詞:太陽(yáng)能;充電控制器;效率中圖分類號(hào)-TK513文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AtI引罱由于太陽(yáng)光伏電池產(chǎn)生的電流受光照影

2、響,具有隨機(jī)性和間歇性,如何將已轉(zhuǎn)換的電能最大可能地存儲(chǔ)并輸出,以及保證對(duì)儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行合理地充放電,延長(zhǎng)蓄電池使用壽命等問(wèn)題,直接關(guān)系到太陽(yáng)能應(yīng)用的效果及整套裝置的運(yùn)行費(fèi)用.隨著對(duì)太陽(yáng)能的廣泛使用,對(duì)功率轉(zhuǎn)換器的效率提出了更高的要求.近年來(lái),對(duì)太陽(yáng)光伏組件充電控制裝置的研究方向主要是:最大限度將已轉(zhuǎn)換的電能充分地儲(chǔ)存和輸出;降低一次性投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用.本文研究的內(nèi)容是在太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換裝置的主電路中增加儲(chǔ)能部件,通過(guò)降壓升流和關(guān)斷儲(chǔ)能的電路設(shè)計(jì),使光伏組件工作在最大功率輸出狀態(tài),達(dá)到充分利用太陽(yáng)能,改善充電電流以保護(hù)蓄電池,降低裝置運(yùn)行成本的目的.1光伏電池的工作特點(diǎn)太陽(yáng)光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為

3、電能,當(dāng)光照一定時(shí)可視為恒流源.將若干個(gè)光電元件串并聯(lián),其伏安特性曲線見(jiàn)圖1.由圖可見(jiàn),端電壓為時(shí),輸出功率可最大.為了最大限度地利用太陽(yáng)能,應(yīng)使端電壓盡可能維持在,這正是本文中所要解決的問(wèn)題.太陽(yáng)光伏電池對(duì)蓄電池的充電方式不同于電網(wǎng)電源充電,其端電壓受負(fù)載影響而變化,不能保證對(duì)蓄電池以恒壓方式充電.因此,在主電路的設(shè)計(jì)中要考慮光伏組件與負(fù)載的隔離問(wèn)題以及適當(dāng)選擇電路參數(shù)以穩(wěn)定充電電流.圖1光伏電池的伏安特性Fig.1PhotovoltaicVCR2充電裝置的主電路結(jié)構(gòu)光伏電池充電主電路見(jiàn)圖2.IJ.土'Vv_.IC享廠=i=-voEId一-IJ圖2主電路結(jié)構(gòu)Fig.2Maincirc

4、uit根據(jù)太陽(yáng)電池組件的電壓與蓄電池電壓E的匹配要求,選擇PWM降壓斬波DC.DC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)充電主電路.用MOS管和電感進(jìn)行降壓斬波,提升組件的端電壓.電感用于改善紋波,并在MOS管關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生續(xù)流,實(shí)現(xiàn)降壓升流的作用.當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí),輸入,輸出之間被隔離.收稿日期:20064)4-13通訊作者:高(1957-),女,副教授,主要從事網(wǎng)絡(luò)化電子測(cè)量與微機(jī)控制系統(tǒng)的研究.dfgaoge163.corn4期高歌:關(guān)斷儲(chǔ)能太陽(yáng)光伏電池充電電路的分析與設(shè)計(jì)405電容C的作用一是在MOS管通態(tài)時(shí)穩(wěn)定組件的端電壓,使之保持在呻.附近,提高組件的輸出功率;二可以提供一定的充電電流,進(jìn)一步達(dá)到降壓升流的作用

5、;三是MOS管關(guān)斷時(shí),光伏電池仍能對(duì)電容繼續(xù)充電儲(chǔ)存能量,提高太陽(yáng)能的利用率;四可以減小充電電流對(duì)蓄電池的沖擊,保護(hù)蓄電池.3主電路參數(shù)計(jì)算將電路分為通態(tài)和斷態(tài)兩種情況討論.3.1MOS管通態(tài)時(shí)的充電電流的計(jì)算MOS管處于通態(tài)時(shí)設(shè)充電電流為i,由充電等效電路,得微分方程為:魯+威+E=其解:10e-譬+(1)(1)式中,.充電時(shí)的初始值.3.2MOS管斷態(tài)時(shí)的充電電流的計(jì)算MOS管處于斷態(tài)時(shí)設(shè)電流為i,等效電路方程為:+Ri+E:0dtuu其解:=(12o+)e一E(2)式中,續(xù)流的初始值.當(dāng)電路連續(xù)工作時(shí),有:jm=i()(3),加=i(t)(4)其中,卜岡關(guān)斷周期.3.3電路主要參數(shù)的計(jì)算

6、由于MOS管通態(tài)時(shí)電路中既有電感又有電容,當(dāng)電感太大時(shí)會(huì)出現(xiàn)振蕩,而太小又會(huì)斷流,因此,需對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算.根據(jù)通態(tài)等效電路可得:c+:E從降壓升流考慮,取值大些較好,但由二階等效電路分析,應(yīng)滿足:<c(5)由于電路中的電阻R較小,若取得較大的電感,需選擇較大的電容.當(dāng)MOS管關(guān)斷時(shí),為充分利用太陽(yáng)能,使電池組件仍保持在最大功率輸出,電容c,電容電壓M和充電電流Impp的關(guān)系有:M=Vs,呷=c.光伏組件電壓在關(guān)斷期間的變化為,則:=c電容參數(shù):c=其中,卜PWM的控制頻率,其數(shù)值與蓄電池的充電要求有關(guān);aPWM的占空比,a=.根據(jù)光伏電池組件的端電壓和蓄電池端電壓E的數(shù)值確定a

7、:E=a'Vs當(dāng)光伏組件的和蓄電池的電壓E給定后,根據(jù)上述計(jì)算選擇電路參數(shù),c和占空比a,可有效提高充電效率.4測(cè)試數(shù)據(jù)與波形比較通過(guò)對(duì)主電路測(cè)試結(jié)果表明,與上述設(shè)計(jì)結(jié)果吻合.4.1降壓斬波的設(shè)計(jì)以某組件18V,蓄電池電壓E10V的實(shí)際測(cè)試為例說(shuō)明電路的穩(wěn)壓效果.有降壓斬波時(shí),當(dāng)PWM占空比a=E/Vs時(shí),組件端電壓維持在=18V.圖3中波形1是太陽(yáng)光伏電池組件的端電壓,波形2是PWM.無(wú)降壓斬波(即占空比a=1)光伏組件電壓被蓄電池電壓拉至10V,不能保證最大功率輸出,見(jiàn)圖4.4.2關(guān)斷儲(chǔ)能的比較圖5是當(dāng)含有關(guān)斷儲(chǔ)能元件時(shí),光伏組件電壓維持在18V時(shí)的波形,并有電流對(duì)電容充電.圖6是

8、無(wú)關(guān)斷儲(chǔ)能元件時(shí),光伏組件的輸出電壓波形.當(dāng)MOS管導(dǎo)通時(shí)組件電壓為18V,當(dāng)MOS關(guān)斷時(shí),組件開路電壓接近20V,但此時(shí)無(wú)電流輸出,因而輸出功率為零.由此可見(jiàn),本電路設(shè)計(jì)采取降壓斬波和關(guān)斷儲(chǔ)能的措施,確實(shí)可以保證太陽(yáng)電池組件工作在最大輸出電壓的狀態(tài),并充分利用關(guān)斷期間的能量,是一種高效的充電裝置.太陽(yáng)能29卷0-0.【=_鬻件電壓0:!一.1.-.一一.'':_二:r.'1''一¨-I:.PWM波形.:.:.r;L一fj:醺萄l田二固:0-一圖3降壓斬波光伏電池輸出電壓Fig.3OutputvoltagebyPWM組件電壓1OVJ-圖4無(wú)降壓

9、斬波光伏電池輸出電壓Fig.4Outputvoltagebynon-PWM000一.筆0'''.'_-.'.'':,''一-.I'I一.i.:.;.;.;.;.;.二啊陽(yáng)田三:啊;j;l.''.,.'.''':'''.1-I.'-.廣1.:;.;:.;二網(wǎng)二網(wǎng)二罔0000000.:;:.;.:;:圖6無(wú)關(guān)斷儲(chǔ)能時(shí)太陽(yáng)電池的輸出電壓Fig.6Outputvoltagebynon-Capacitor5結(jié)語(yǔ)太陽(yáng)光伏電池組件充電控制裝置的主要指

10、標(biāo)一是提高充電效率,最大限度利用太陽(yáng)能;二是改善充電質(zhì)量,以此延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命.兩者從不同方面提高太陽(yáng)光伏電池充電裝置的效益.當(dāng)然,提高太陽(yáng)組件的性價(jià)比也是極為重要的研究方向.參考文獻(xiàn)1高歌,呂研冬.太陽(yáng)能充電控制器的剖析及設(shè)計(jì)D.西安交通,2003.11JGaoGe,LvYandong.TheimprovementanddesignoftheSO-larenergychangconlxonerD.Xi'anJiaotongUniversity,2003.2王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)M.北京:工業(yè)出版社,20O0.12JWangZhaoan,HuangJun.Thetechniqu

11、eofelectricpowerandelectronicsM.Beijing:IndustryPublishing,2OO0.3季杰,程洪波,等.太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究J.太陽(yáng)能,2005,26(2):17O一173.13JjiJie,Chengnongbo,eta1.Experimentalstudyonahybridphotovohaic/themialsolarsystemJ.ActaEnergiaeSolarisSinica,2005,26(2):17一173.圖5有關(guān)斷儲(chǔ)能時(shí)太陽(yáng)電池的輸出電壓Fig.5OutputvoltagebytheCapacitor唧ANAIrSISANDDESIGNOFARECHARGINGCCVrI'BYSOLARIyVGaoGe(shanghaiUniversityofScience,Shanghai201620,)Abstract:Akindofswitchcircuitwasintroduced,whichcanstabilizetheoutputvoltageofthesolarcellsintheoptimalappearance,andsustainrechargingcurrentsteadilytoprolongthelifetimeof