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第19卷第7期 2007年4月 系统仿真学报 119 2007 光伏电源无阻塞二极管控制器的仿真研究 崔岩 ，宋超领 ，李大勇 ，胡宏勋 (1汕头大学，汕头515063；2哈尔滨理工大学，哈尔滨150080；3上海交通大学，上海200030) 摘要：研究无阻塞二极管光伏电源控制器在低压光伏系统中的特性，以评估这种无阻塞控制器的 工作性能，普通控制器一般采用阻塞二极管防止蓄电池夜间对光伏电池放电而浪费电能。导致光伏 组件工作电压升高而使充电电流降低，降低了充电效率。分别对这两种控制器进行果 表明无阻塞二极管控制器较普通控制器具有更高充电效率 关键词：光伏系统；阻塞二极管；仿真；蓄电池；充电控制器 中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1004 731X(2007)07160404 f Ua115063，50080300030，he a to SO it ut as a of of be O a on is of is to of O is o，of be g V 言 近年来能源已经成为维系国家和谐和安全的纽带，能源 的需求也越来越大，但是由于传统能源有不可再生性和污染 性，许多国家已经面临能源枯竭的问题。所以必须有其它新 型能源以代替传统能源，近些年来随着科技的进步和太阳能 技术的发展，太阳能作为一种新型的绿色能源已经得到广泛 的应用。光伏技术作为太阳能应用的一个重要的方面也得到 广泛的应用。然而由于太阳能光伏系统的价格昂贵而且转换 效率较低，影响太阳能光伏技术的应用。太阳能光伏系统一 般由光伏方阵、充放电控制器、逆变器、蓄电池和负载组成。 一般用蓄电池作为储存多余的电能以在阴雨天和夜间继续 提供能量。而充放电控制器作为连接太阳能光伏电池和蓄电 池的装置起到保护蓄电池和减少能量损失的作用。在保护蓄 电池方面必须能够具有防止蓄电池过充和过放的功能，而在 减少能量损失方面则须使在充电阶段光伏电池对蓄电池的 充电电流尽可能的大，而且在夜间和阴雨天气能够防止蓄电 收稿日期：20060227 修回日期：20070108 基金项目：黑龙江省自然科学基金(7)资助 作者简介：崔岩(1962一)，男，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士生，研究方 向为光伏系统及应用；宋超领(1983 )，男，河南商丘人，硕士生，研究方 向为电力电子在光伏系统中的应用；李大勇(1958)，黑龙江哈尔滨人， 教授，博士，博导，研究方向为生产过程测试与控制技术；胡宏勋 (1944-)，教授，研究方向为高效太阳能电池。 池向光伏电池放电而浪费电能。普通控制器一般采用串连一 个阻塞二极管以起到防止夜问和阴雨天蓄电池向光伏电池 的放电。然而由于在充电状态下阻塞二极管的压降较大使光 伏电池的工作点的电压变高，致使充电电流变小，从而造成 充电效率的降低。理论分析在大电流情况下，阻塞二极管与 线路压降为25伏、温度为25成充电效率下降457 ，在温度为459 这对 于价格昂贵，本身转换效率都较低的光伏系统来说是一个很 大的缺陷。然而采用无阻塞二极管控制器可以使控制器在充 电回路上的压降降低从而提高其充电效率。 1光伏电池伏安特性及其建模 光伏电池处于暗处时，其输出的伏安特性与二极管的伏 安特性相似。根据光伏电池的内部结构及其输出特性，可以 把光伏电池单元等效为如图1所示电路。 、 、 _= 图1光伏电池单元等效电路 根据们得到 一sh=l，其中是光伏电 维普资讯 ，等：光伏电 垂里窒三堡笪丝 堂塑堕塞 窒 9 2007 池的光电流， 是通过二极管的电流，流 詈 流从文献【2 中得到： 光伏电池中的二极管的电流从又默 倚 ： ， ：，。(e 一1)，式中，。是光伏电池中二极管的反向 饱和电流，为玻尔兹曼常数，品质因数。 因此得到光伏电池的电流一电压方程： ! 璺 。、V+= 依据上述方程可得到光伏组件的伏安特性曲线如图2所示。 A 4 2 O 图2光伏组件伏安特性曲线 2蓄电池的充放电特性及其建模 在独立光伏系统中，采用蓄电池储存电能，这样可以 阴天或者夜间由蓄电池继续供电，从而达到提高电能的利用 率。蓄电池主要工作在两种模式下：充电模式和放电模式。 表征蓄电池的参数主要有标称容量、充放电率和蓄电池的充 电状态。蓄电池的等效电路模型如图3所示： 3蓄电池的模型电路 T 。 匹 ： 胁22K 。K 一一 !：巫013 09 R R = ： ：巫01037R R - 其中 、别为蓄电池的串连数，蓄电池充电 3无阻塞二极管控制器的工作原理 嚣 伏方阵发生短路故障时蓄电池被短路。在低雎系现 图 们知道，输出电压变大会使充电电流而降 低了充电效率。而无阻塞二极管控制器采用NT 件取代阻塞二极管同时又作为防止蓄电池 耋 M个 器件起到上述两个作用。从唧伺舣 。 纂 蓑耄 间， 姜； IO ，将有漏电流通过 sF 肝 ，三 器 行检测，当光伏电池板产生的电雎低十蕾 他 ： 关断状态，反之，无阳塞控制器电路如图4所示 (过充检测电路略)： 4无触点控制器电路图 1605 ) 锄v(一) O 【皂 【堇 2砷 3却 昌 叮 聊 2 廛。 一H 苣 陆 篆 A 一 心 叭 哪 一 2 一 维普资讯 、9 2007 4普通控制器和无阻塞二极管控制器仿真 41无阻塞二极管控制器的仿真 无阻塞二极管光伏电源示意图如图5所示。仿真时图5 电路中的开关为等效 导线电阻。蓄电池的负极作为系统的地。当夜间或阴雨天气 即光伏电池的开路电压小于蓄电池两端的电压时，光伏电池 的负极电位)大于0，由图4可知，开关2处于 关断状态。反之，在白天或晴天时，光伏电池的开路电压大 于蓄电池两端的电压，于是光伏电池的负极电位)小于 0，由图4控制电路，使开关2处于导通状态。因此 我们可以把光伏电池的负极)加个梯形波信号以代替实 际天气变化引起的光伏电池负极)电位的变化，以观察 控制器的工作过程。 40 4(Ml： 2O 图5无阻塞二极管光伏电源示意图 我们从图6中明显的看出，当)为大于0时，通过 就是说当夜间或者阴雨天气时， 之，当)小于0时，通过电流大于0，也就是说当晴天时这说明本文的无阻塞控制器能够正常的工作。图中I(M1：d)、 V(Q2：c)、V(V()分别为开关2中的电 流、三极管较器输入电位。蓄电池过充控制电路与普通控制器类似，文中略。 l l ： l 【j l 。 8 ： j 5 i 4 I J ： 上兰 三 三同土 图6无触点充电控制器仿真结果图 42基于实际气象数据的光伏电源充电仿真 实际气象数据是通过汕头大学工学院电子系的气象数 据采集系统4】获得的。从早上8点到晚上6点，每隔一秒采 集一次光照强度数据。通过实际气象数据输 入到光伏组件仿真模型上，分三种模式对蓄电池模型进行充 电：直接对蓄电池充电；通过具有阻塞二极管的充电控制器 (普通控制器)对蓄电池充电；通过无阻塞二极管的充电控制 器(也称无阻塞控制器)对蓄电池充电。下面分别对以上三种 情况进行仿真。 第一种模式，将光伏电池直接连到蓄电池上对其充电。 已知系统参数如下：光伏组件在光强为1000Wm 、25时， 短路电流为5A，设光伏电池表面温度为25C；蓄电池的容 量为500电率为08、自放电率为1盯 、充电初始状态 为20、6个2真结果如图7所示。其中 V(4)为蓄电池两端电压，v(7)为蓄电池储存的电量与最大储 存电量的比值，即蓄电池的充电状态(当时表 示蓄电池已充满。于是蓄电池在29991第二种模式，光伏电池通过带有阻塞二极管的充电控制 器对蓄电池进行充电，并采用与上述相同的光强数据，系统 参数不变。其仿真结果如图8所示。于是蓄电池在31073达到充满状态，其中阻塞二极管在光伏电池两端的开路电 压低于蓄电池电压时阻止蓄电池向光伏电池放电。 第三种模式，光伏电池通过无阻塞控制器(无阻塞二极 管控制器)对蓄电池进行充电，光强数据与系统参数保持不 变。其仿真结果如图9所示。于是蓄电池在30005满状态，其中当光伏电池两端的开路电压低于蓄电池电压 时o 之 6 o 14 13 12 s 图7光伏电池对蓄电池直接充电仿真结果 0加 m 0如 0 m。如 维普资讯 ，等：光伏电源无阻塞二极管控制器的仿真研究 )L 19 2007 二一0 二二 ： ：三 三 9采用无阻塞二极管充电控制器的仿真结果 根据上述三种情况可以明显的看出，采用直接连接充电 效率最高，即在最短的时间29991。然而采用阻塞二极管的充电控制器对蓄电池充电，需要 31073采用我们提倡的器对蓄电池充电也只需要30005所周知， 除特殊情况一般不采用将光伏电池与蓄电池直接相连充电 模式，因为夜间蓄电池会对光伏电池充电造成能量损失。因 此可以明显的看出采用明显高于带阻塞二极管的普通控制器的充电效率。 43三种充电模式对充电电流影响 在相同的光照强度以及光伏组件、蓄电池参数不变的情 况下，采用三种充电模式组成光伏电源，对12。蓄电池工作电压范围在12设光伏 电池到蓄电池之间的导线压降为05V。基于，分别对三种充电模式下的充电电流以及充电电流的变化 进行比较，比较结果如表1所示。 从表1明显看出采用具有阻塞二极管的普通控制器的充电电流高出13， 充电效率同样提高13，而采用1三种充电模式下充电电流表变化对照表 制器和直接相连的充电控制器的充电电流几乎没有什么差 别，因此无阻塞充电控制方式具有很高的充电效率。 5结论 基于先对无阻塞控制器电路进行了仿真， 确定无阻塞控制器能够处于正常的工作状态。然后利用实际 气象数据对三种充电模式分别进行仿真，结果表明通过无阻 塞充电控制器对蓄电池充电，其充电时问只比采用直接充电 方式的充电时问多出14s，而采用带有阻塞二极管的充电控 制器其充电时间比直接充电方式的则多出1082见采 用制器充电效率有明显的提高。同样，我们对