使用微控制器控制的光伏电池充电系统.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 15 页 共 15页使用微控制器控制的光伏电池充电系统 J. H. Lee, Student Member, IEEE, H. S. Bae, Student Member, IEEE, and B. H. Cho, Senior Member, IEEE摘 要 一种新的控制算法已经制定，包括一种降压型直流/直流转换器，其用于在paralleloperated光伏充电系统。从过去研究，分析了电流环，通常是用于并行操作的功率调节器有一个内在的稳定问题的大信号域光伏系统。该算法直接转变有效输入特性的转换器被太阳能电池阵列为电阻性负载，这是由一个控制微控制器单元。因此，由此产生的系统消除了不稳定的电流回路中的光伏系统。此外，它是简单，灵活，方便扩展。分析影响的样本造成的延误数字控制器，仿真功能（腹中，注册商标）的情况平均电流模式控制模型采用小信号方法，和设计标准的提出。实验结果表明，所提出的180-w原型硬件算法具有实现简单的结构和稳定该系统在整个地区的太阳能阵列。关键词：仿真功能，单片机，并行操作，光伏充电系统，电阻控制 1 导言由于化石燃料耗尽和环境问题造成传统发电，可再生能源现在广泛使用的能源来源，如电池来源，燃料电池，风力发电，等。其中，光伏来源是今天在许多应用等电池充电，水泵，家用电源，和卫星系统 1 6， 22， 23。光伏系统大多数应用程序都需要一个功率调节器，如直流/直流转换器的负载。为支付负荷的增加，电力转换通过并联转换器可能是必要的，它允许冗余的实现，可扩展性功率，效率高，和较小的尺寸和重量。此外，该系统成为身心和经济可扩展。电流模式控制应使用控制间电流共享并联变换器模块。不过，当一个转换器采用电流模式控制的相互作用与太阳能电池阵列的非线性输出特性，系统可能变得不稳定，这取决于变频器的拓扑结构和电流模式控制器类型 12， 13， 15， 16。这些不稳定的问题可以解决了动态输入阻抗转换器，其负载阻抗看到由太阳能电池阵列，是电阻。几种方法使用电阻控制进行了研究功率因数校正（功率因数校正）应用。在 7 9 ，功率因数校正是通过使用一个非线性电阻控制，一个小组是由一个模拟电路有一个良好的输入电阻特性。然而，电路是一个复杂和难以实现在降压型转换器，因为不能产生。此外，假定输出电压是恒定的，相当于电阻值变化时，输出电压的变化。在 10和 11，这是表明，输入的负载特性成为当操作在不连续导通电阻模式。然而，在较高的功率水平，连续传导模式是首选。本文提出了一种新的控制方案，其中变换有效输入特性的转换器是轻松执行的微控制器单元。在提出的算法，一个微控制器的措施，电池和太阳能电池阵列电压和修改当前的参考实现的电流循环，从而使有效的输入特性电阻。本文的组织如下。不稳定问题电流环在光伏电池充电系统简要回顾在第二节。该系统的设计在第三节。在第四节，一个样本的延迟数字控制器模型采用小信号建模方法，并设计标准介绍。最后，该给出了实验结果在第五部分2 光伏充电系统中不稳定的电流回路的问题图1显示了一个降压型光伏电池充电系统使用一个单一的电流回路。图2显示了一个相当大信号模型，由受控源f（VSA，VB，VC）和g（VSA，VB，VC）组成，在表1中是受控源f（VSA，VB，VC）和g（VSA，VB，VC）总结，并详细推导12 13。图3（a）所示的太阳能电池阵列的电压 - 电流（v-i）。曲线和有效负载输入线的功率调节器平均电流模式控制，具有恒功率负载的特点。一个（1和3）或三（2号线）平衡点存在于系统。从14在分析结果，以下稳定的条件下观察。对于RL 0，RS0时，平衡点是稳定的。 RS为RL0，| RL|，是不稳定的。平衡点RL 0，RS0，| RS| RL|，平衡点是稳定的，如果该线滤波器电感是比较小，其中RS和RL代表的增量电阻thesolar阵列的输出曲线和负载线（切线斜率），分别在平衡点，如图3所示。图1 光伏电池充电系统，单一的电流回路图2 电流模式控制的大信号等效电路模型表I对当前LOO依赖性来源从上述结果，电压源区的平衡点，即A和Ar，都是稳定的。另一方面，两个电流源地区的平衡点是不稳定的，即C，另一种是稳定的，即，B因此，功率调节系统是不稳定的太阳能电池阵列工作在当前源区和被锁定的电池电压（见B）。图3（b）说明空调的电源使用充电电流模式控制，具有恒流负载的特点有效的输入负载线。一个独特的平衡点存在的制度，这是稳定的。因此，充电电流模式控制是一个单一的电流控制功率调节系统的候选人。然而，充电电流模式控制有以下几个问题。首先，平衡点移动到锁定电池照明跌幅点。其次，定义为低频控制到输出的传递函数GVC： 因此，系统的动态变得很慢，如果太阳能电池阵列的增量电阻RS是高的。输入有效载重线电源采用峰值电流模式控制的空调基本上是相似的平均电流模式控制，但增量电阻RL负载线变为正值，如图所示。 3（C），本身是外部斜坡坡比自然电感电流斜坡SN较大。因此，在太阳能电池阵列的电流源区存在两个平衡点，并存在一个单一的平衡点，在电压源区，这是稳定的。从aforemen提到的结果，它显示两个电流源地区的平衡点之一是稳定的，其他是不稳定的。图3 有效输入功率调节器的负载特性（一）平均年龄电流模式控制。 （二）充电电流模式控制。（三）峰值电流模式控制。假设，最大峰值功率跟踪（MPPT）进行了使用峰值电流模式控制，相当于初始点是A的MPPT控制器，增加了控制电压Vc。那么，有效的输入负载线改为3线，平衡点移动到B。在这种情况下，功率的变化是负面的，控制电压Vc下降。然而，平衡点不移动到一个，但到B，因为是稳定的平衡点B。然后，该系统是B和B之间的迭代。因此，峰值电流模式控制是不适合于单回路控制。3 电阻控制算法A.基本思路 通常在电阻控制的控制目标是保持低频部分的输入电压，即输入电流成正比 其中r是模拟输入电阻的功率条件下，如靠近空调，VSA是太阳能电池阵列的电压，ISW是平均输入电流的功率调节。从上一节中，输入电流与功率级的功能也派代表出席了会议如下： 其中，VC是控制变量，通常是在传统的电流闭环控制的线性功能。转变成一个电阻片的系统，模拟函数E（VSA，VB，R）的定义如下： 然后，如果模拟函数E（VSA，VB，R），满足不等式（5），生成，有效的输入特性模拟电阻，如图所示。4。模拟函数E（VSA，VB，R）中的平均电流模式的情况下，在平均电流模式控制，控制电压Vc是成正比的电感电流iL18。的关系如下： 其中，Ri为电感电流IL的感应增益。假设，是理想的功率级，输入功率功率级是相等的输出功率。这关系是由VSA是太阳能电池阵列的电压，和VB是电池的电压。 其中isw是平均输入电流的功率级，Vsa是电压的太阳能电池阵列，vb是电池电压。 图4。等效电路模型。 （一）大信号等效电路的电阻控制。（二）有效的输入特性电阻控制。从（5） - （7），控制电压VC = E（下VSA，VB，R）重新定义为 由于是非线性的，它是难以实现由模拟电路。然而，它可以简单地在数字域使用一个微控制器，这可能已经是MPPT的实现。在费和峰值电流模式控制流程的情况下，模拟的功能E（VSA，VB，R）是由一个类似的过程中产生的。结果如下： 图5（a）显示该算法的框图。一个更详细的示意图如图所示5（B）。B 优势 在光伏电池充电系统，电阻控制有几个好处。首先，增量电阻RL功率级模拟电阻R，这等于始终是积极的。因此，电阻控制始终是大signally稳定，无论线电感。其次，由于电阻控制的输入功率是成正比的1/ R和输入电阻R值直接控制，输入功率。图5。电阻控制。 （一）框图。 （b）详细的框图。每个功率级可分别控制在并行运算运行，可以很容易地并联功率级不同的电价。此外，该算法的实施，需要没有额外的组件，如传感器和额外的电路，如图5所示。因此，它可以实现，而无需额外费用。4 建模信号 从上述结果14，它被证实使用该算法系统是大signally稳定。因此，该系统是在连续小signally稳定因为大信号稳定，一般保证的时间域小信号本身的稳定。然而，作为建议人gorithm数字是使用一个微控制器来实现，一个样本的数字控制器的延迟，如图6所示。，有一个对系统的影响。因此，在本节中，以验证一个样本的数字控制器所造成的延迟效应，一个样本提出的算法采用平均延迟电流模式控制的模拟小信号的方法，及其影响进行了分析。小信号建模仿真功能，E（VSA，VB，R）对于小信号建模仿真功能平均电流模式控制的情况下，扰动 图6数字化控制的一个样本延迟其中，VC= VSA2Ri/VB R和RI是电感电流IL的感应增益。然而，自该算法采用数字控制，存在一个样本延迟，如图6所示。由于样本的延迟，在太阳能电池阵列的电压VSA（K）的扰动影响下一采样时刻（K +1）。这种效果是在电池电压VB（k）和模拟电阻R（K）的扰动相同。因此， 当vc=v2，sari/vbr，r1是遥感获得的电感电流。然而，由于该算法数字控制，一个样本延迟存在，如图6所示，由于样本延迟，扰动的太阳能电池阵列电压vsa（k）影响下一采样时刻（k+1），这种效果是同一方面的干扰在电池电压vb（k）模拟电阻r（k），因此，改为 从Z -（11）和结果 17 20 ，相应的采样连续时间域的表达给出如下： 其中Td表示数字采样周期。Hd（s）表示一个样本的延迟效果，具有相同的表达作为抽样得到He（s）在电流模式控制。图7显示控制图的算法，这是从结果 18和（12）。得到的对电感电流和工作电压的太阳能电池阵列 图7小信号模型的框图该算法的传递函数，即GID（S）和GVD（S），分别得到由状态空间平均法，具体如下： 其中，TD代表的数字采样周期。HD（S）代表sents一个样品的延迟效应，具有相同的表达，他在电流模式控制（S）作为采样增益。图7显示了该算法，这是得到的结果18（12的控制框图。电感电流和太阳能电池阵列的电压税 ，它是观察，该系统具有一个单一的低频率在左半平面极点pr和极对开关频率的一半。因此，假设连续时间域，该系统是稳定的。图8在10 kHz算法的稳定性分析（一）奈奎斯特系统循环的情节获得。 （二）时域仿真的结果。B.稳定性分析，包括高清（S）从图。 7，该系统包括一个样本延迟环路增益的表达给予 。 图9。在600赫兹的算法的稳定性分析（一）奈奎斯特系统循环的情节获。 （二）时域仿真的结果。代表在连续时间 图10平均电流模式控制的测试结果：CH1和CH2，电感电流（1/ DIV）; CH3，太阳能电池阵列的电压（50 V /格）; CH4，控制电压（V /格）。 图11该方法的测试结果（采样频率为10千赫）：CH1和CH2电感电流（2/ DIV）; CH3，控制电压（1 V /格）; CH4，太阳能电池阵列的电压（10 V /格）。 图12该方法的测试结果（采样频率=1.6千赫）：CH1和CH2电感电流（2/ DIV）; CH3：控制电压（1 V /格）; CH4，太阳能电池阵列的电压（10 V /格）。根据奈奎斯特稳定判据21，环路增益必须有一个逆时针的（-1，0）点的太阳能电池阵列的电流源地区的包围圈，因为它有一个右半平面的极点（p1 0）。正如图所示。 8，它是观察，该算法是在d10千赫的采样频率的稳定，因为环路增益有一个逆时针的包围（-1，0）点在目前的太阳能电池阵列的源区。正如图所示。 9日，该算法的环路增益是在d600赫兹的采样频率的不稳定，因为没有（-1，0）点逆时针包围圈。此外，附近地区的太阳能电池阵列的MPPT，预计该系统是稳定的，但振荡的增益裕量不足。这些方面的数字控制器的采样频率稳定问题是由于一个样本延迟HD（S）在采样频率的一半，从而降低系统的环路增益至-18017 - 20 。因此，如果超出了该系统的环路增益带宽在连续时间域位于采样频率d，那么该算法是稳定的。5 实验结果实验验证 原型光伏蝙蝠计算电池充电系统已经建成并进行测试。它由两个串联的太阳能电池阵列板，其最大功率为180瓦，在模拟的照明系统。照明系统使用30高强度气体放电灯和模拟太阳光的平衡持续实施。光伏发电系统由两个降压转换器，它采用并行内环平均电流模式控制。在实验中使用的参数详细的系统总结在表二。图10显示采用平均电流模式控制的光伏系统不稳定的特点。控制平均电流模式控制电压年龄从AB的的CA.如前所述，光伏发电系统被锁定到电池电压时，控制电压是从A到B改变的第一步，但它仍然锁定直到电池电压控制电压变化从C到A，因此，它是采用平均电流模式控制，配电系统是不稳定的太阳能电池阵列的电流源地区。无花果。 11日和12日表明了该算法的实验结果。鸸鹋lated阻力一再改变，从ABC答：当采样频率d为10 kHz，该系统是稳定的所有作业点，如图所示。 11。光伏系统之间的权力分配，被锁定到电池电压方面的问题消除在平均电流模式控制。然而，正如图所示。 12，系统振荡时，采样频率d为1.6 kHz的电流源地区的太阳能电池阵列。因此，从图。 11日和12日，它是观察数字控制器的一个样本延迟不影响系统，在第四节中提到，当采样频率的数字控制器d位于上述图13 MPPT使用该算法系统的环路增益在连续时间域的带宽。图13显示了使用电导增量法的MPPT的实验结果。 MPPT采样频率设置为100赫兹。 10 V / div和1/格，分别测量电压和电流的太阳能电池阵列。测量的时间是1秒/格。结果表明，该系统跟踪的最大峰值功率在0.5秒内。6 结论 应采用电流模式控制电流共享，并联运行的光伏电池的充电系统。然而，由于非线性的V-I输出特性的太阳能阵列和有效输入功率级特性，电流模式控制创建的几个问题。平均和峰值电流模式控制，特别是联合国在太阳能电池阵列的电流源地区的稳定。充电电流模式控制是稳定的，但有几个问题，如缓慢的动态。因此，在本文中，一个新的光伏电池充电系统的并联运行控制算法已推出。该算法转换成基于非线性函数的微控制器单元由一个模拟电阻的有效输入功率级的特点。设计标准是小信号建模的结果。因此，由此产生的系统，消除了在光伏发电系统电流环的不稳定。此外，该算法是简单而灵活，可以很容易地扩展。从180瓦的原型硬件显示的实验结果表明，该算法具有一个简单的实现结构，并能稳定系统，在整个工作区域的太阳能电池阵列。参考文献1 Z. 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