一种并联稳压式独立光伏照明系统的研究

高源，陈希有

(大连理工大学，辽宁 大连 116024)

0 引言

在传统能源日益枯竭的21世纪，光伏发电技术已成为新能源领域重要的研究方向。光照充足时，许多电器依然利用市电工作，导致资源的浪费。传统独立光伏系统拓扑结构，光伏电池通过实现MPPT功能[1]的DC/DC电路连接直流母线，蓄电池通过双向DC/DC变换器实现储能和稳压的功能。在光伏输出能量不足时，需要双向DC/DC变换器改变能量传输方向，蓄电池才能向直流母线提供能量来稳定直流母线电压[2]。因此这种系统的控制方法复杂且稳定性不高。

针对上述不足，本文提出一种并联式稳压结构。在该系统的拓扑结构中，稳压支路与直流母线呈并联状态。系统利用PI反馈以直流20V输出为调节目标，在光伏电池输出能量充足时，通过Buck电路从直流母线分流向蓄电池充电，Buck-Boost电路降压;不足时，蓄电池通过二极管向负载提供能量，Buck-Boost电路升压。

1 并联稳压式独立光伏系统拓扑结构

如图1所示，光伏电池通过 Buck-Boost电路连接到负载，Buck电路、蓄电池充电电路与蓄电池组成稳压支路与直流母线并联。光伏电池输出电流 IPV、负载工作电流IIOAD与蓄电池充电电流IB的关系为:

在光照充足时，利用光伏电池向负载提供能量，稳压支路从直流母线分流向蓄电池充电;若阳光突然被遮挡或在连续无光条件下，则稳压支路中Buck电路停止工作，蓄电池通过二极管D2向直流母线提供电能，若蓄电池持续放电导致其端电压低于放电截止电压，则系统切换至市电模式。在蓄电池电压高于充电截止电压之前，光伏电池向蓄电池充电;高于之后，则系统重新切换至光伏供电模式，继续利用光伏电池向负载提供能量。

图1 系统拓扑结构图

2 并联稳压式独立光伏系统工作模式

本文设计的独立光伏系统，有光伏供电模式、蓄电池供电模式和市电模式，三种模式依次循环。

当光照条件充足，光伏输出功率可以满足负载需求时，系统为光伏供电模式，如图2所示。此时Buck－Boost主电路正常工作，母线电压高于蓄电池电压，D2截止。判断蓄电池是否充满电，若充满电则关闭Buck电路;若未充满，则稳压支路通过Buck电路为蓄电池充电。

当光照条件不足，光伏输出功率不能满足负载需求时，系统为蓄电池供电模式，如图3所示。蓄电池通过D2向直流母线输出能量，Buck电路停止工作，Buck-Boost主电路正常输出能量。

当蓄电池放电结束，LM339控制电路断开 S1，闭合 S2，系统进入市电模式，如图4所示。此模式中，若光伏有能量输出，则系统控制Buck电路工作向蓄电池充电[3]，直到蓄电池充满电，LM339控制电路闭合S1，断开S2，系统重新进入光伏供电模式。

图4 市电模式

3 并联稳压式独立光伏系统的控制策略

在极性反转Buck-Boost电路[4]中，若变换器处于电感电流连续条件下，假设变换器损耗为零，输出电压平均值表达式为:

选用DSP2812芯片采样直流母线电压电流和负载电压。若直流母线电压高于目标电压，则通过PI反馈计算并控制Buck-Boost电路占空比;然后将采样母线电压与蓄电池额定充电电压17.2 V 相比较，若高则 Buck 电路[5]工作向蓄电池充电电路提供 17.2 V充电电压;若低则控制 Buck电路MOS管占空比为100%，由 UC3906充电控制芯片控制蓄电池充电过程。

图5 控制原理框图

若采样直流母线电压低于目标电压，则将母线电压与蓄电池放电截止电压比较，若高则通过PI反馈计算并控制 Buck-Boost电路占空比。比较母线电压与蓄电池额定充电电压计算并控制Buck电路占空比，过程与母线电压高于负载额定电压时相同。在母线电压低于蓄电池放电截止电压之前，LM339控制电路切换供电模式，进入市电模式，等待光伏电池为蓄电池充电。当蓄电池充满电，其电压高于充电截止电压后，LM339再次切换进入光伏供电模式，至此一个供电循环结束。图5为控制原理框图。

4 实验结果

实验中光伏支路以直流负载电压20 V为调节目标，选用直流负载为24 V60 W白炽灯，交流负载为220 V60 W白炽灯。电路开关频率为 20 kHz。12 V －12 Ah铅酸蓄电池作为储能器件。

正常情况下直流母线电压最低为 12 V，最高不超过 23 V，实验中从12 V到30 V连续调节母线电压输出电压。Q1为 Buck-Boost电路驱动波形，V1为负载电压波形。图6为母线电压12 V时，负载电压 V1平均值为 19.9 V;图7为母线电压30 V时，负载电压 V1平均值为 20.8 V。

图11 母线电压24 V，负载100 Ω时Q1和V1波形

实验中对负载变化进行测试。分别在母线电压为16 V和24 V时，调节负载从10 Ω 到100 Ω连续变化。图8为输入电压16 V，负载 10 Ω 时，负载电压V1平均值为20.3 V;图9为输入电压16 V，负载100 Ω时，负载电压V1平均值为20.2 V;图10为输入电压24 V，负载10 Ω时，负载电压V1平均值为19.8 V;图11为输入电压24 V，负载100 Ω 时，负载电压V1平均值为22 V。

5 结束语

通过改进独立光伏系统的传统稳压结构，本文提出一种并联式稳压结构。分析了系统各部分电路的工作原理，通过实验验证其可行性。该系统在蓄电池放电结束后等待光伏电池充电，当蓄电池电压高于放电截止电压时，比较光伏电池输出电压和设定输出电压时，大于时，Buck-Boost电路降压，稳压支路从直流母线分流通过UC3906[6]充电电路为蓄电池充电;小于时，Buck-Boost电路升压，蓄电池通过二极管向负载提供能量。在光伏电池无输出且蓄电池放电结束时，由市电供电与光伏支路互补工作。

[1]Liang-Rui Chen，Chung-Ming Yonng，Neng-Yi Chu，Current-Shared Photovoltaic Power System[C].Power Electronics Conference(IPEC)，2010 International，Sapporo，June，2010:2591 －2597.

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[4]唐友怀，张海涛，姜喆，等，基于Buck-Boost新型光伏系统的研究[J].机电一体化，2008，14(8):57 －60.

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