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太阳能系统的最大功率点跟踪器,中国机器人网,vrovro.com
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太阳能系统的最大功率点跟踪器
2020年10月10日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

光伏(PV)面板是可提供绿色和可再生能源的特殊电源。根据许多参数(太阳辐射和角度,阴影百分比,温度和热点影响问题),PV面板具有非恒定功率。太阳能电池板包含太阳能电池矩阵,可将太阳辐射转换为电能中国机器人网vrovro.com。在矩阵中连接更多的电池可提供更多功率,但仅占最大功率的23 – 40%。MPPT(最大功率点跟踪器)用于推动太阳能电池板以功率曲线的最大功率点工作。矩阵中的太阳能电池不相等,并且它们的辐照度和太阳角也不相等。每块面板使用一个MPPT时,所产生的最大功率可以达到面板实际功率的65%。每个单元使用MPPT的成本很高,因为它使用了许多组件,


本文说明了如何使用可配置的混合信号集成电路解决难题,该集成电路可通过单个IC用矩阵电感器或IC和电容器组代替MPPT系统中的许多组件。合适的IC可以代替MPPT控制器和传感器,但是MOSFET和功率电感器约占MPPT电路的70%。该电路适用于几乎所有MPPT算法,例如扰动和观测,模糊控制等。


光伏电池特性


 下面的图1显示了光伏电池的VI和PI曲线,表明该曲线的最大功率点。


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图1:光伏电池的VI和PV曲线

该系统是MPPT算法之一的实现,以获得电池的最大功率。图2显示了一个大面板的主要连接,该面板包含一个带有一个Boost转换器和MPPT控制器的PV电池矩阵。


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图2:每个面板的MPPT系统图

系统框图


以下是创建光伏电源的说明,您可以将其添加到系统中以进行可再生电源充电。它需要更少的组件才能使系统正常工作。在该系统中,使用集成电路,两个MOSFET和一个电感器代替大型电路来实现MPPT算法。


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图3:用集成电路替换MPPT

图3显示了在系统中具有IC的优势。我们可以节省空间并比以往更快地设计它。该电路可以连接到光伏电池上,从而获得具有完整稳定性监控和保护功能的便携式光伏充电器。


图4显示了免费的GreenPAK Designer软件中的MPPT实现(可以在此处找到.gp格式的完整设计)。该设计可使系统在PV电池的最大功率点上正常工作,公差为2.5%。


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图4:MPPT的实现(一)

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图5:MPPT实现(b)


引脚配置如表1所示:

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它是如何工作的?

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图6:PI曲线上的操作区域

 该电路将连接到电流检测电阻,以确定电流差并同时检测输出电压。为了强制系统产生最大功率,我们通过感测输入电流和电压来确定系统是否处于MPP,从而将工作点推至最大功率点。系统确定运行电压是否低于或高于MPP。我们可以将电压-功率曲线分为两个区域,最大功率点的左侧是区域A,右侧是区域B,如图6所示。电路将确定电压是在区域A还是区域B中。


感测电流和电压有助于系统根据ΔI和电压值更新占空比。这将有助于MPPT判断区域A或B处的系统(参见图6),然后根据该决定将操作点移向MPP,从而更新PWM值。MPPT从空载点开始(V max @无输出电流),然后移动到MPP并在其周围振荡,直到其中一个参数(太阳辐射,阴影和温度)发生变化。通过更改阴影,太阳角度,TEMP或突然的阴影,该单元将继续提供其可以提供的最大功率,而不会影响矩阵的其余单元。


要创建发电厂,用户可以轻松地将电路连接到每个电池以获得电池的最大功率,但是输出电压不是一个稳定值,因为主要目的是最大功率。用户可以根据应用,使用任何DC-DC转换器为系统获取合适的电压。


系统块实施


框图的实现如图5所示。本设计中使用的应用电路为SLG46621。


光伏电池电流感测



图7:电流检测模块

感测电流是提高系统更新占空因数的精度并具有不击中短路点的限制的好方法。


光伏电池电压感应



图8:电压感应模块

感测PV电池的电压以使系统知道是否需要增大或减小占空比以跟踪最大功率点。感测电压有助于了解占空比更新的方向,而感测电流则定义了增量/减量值。一旦达到最大功率,它将继续沿相同方向更新占空比以扰动并观察是否可以从PV中获取更多功率。在稳定状态下,系统将保持在最大功率点附近振荡。


占空比更新器和稳定性研究



图9:占空比更新块

系统确定运行电压是否低于或高于MPP。IC将确定运行电压是在区域A还是区域B中。基于电压和占空比更新器,XNOR输出在区域B中变为高电平,在区域A中为低电平,这将相应地增大或减小占空比。


在上一次占空比更新之后,DC-DC转换器需要足够的时间才能稳定下来,因此占空比更新器必须比开关频率慢。增加占空比更新器的频率会减少系统的建立时间,并导致不稳定。另一方面,使用非常慢的占空比更新器会使系统效率低下,并且需要很长时间才能跟踪最大功率。重要的是获得一个最佳频率,该频率可使系统快速跟踪最大功率而又不会引起不稳定。PV电池在阴影和温度条件下的变化缓慢,因为这两个变化都在秒的范围内,这要慢得多,因此在几毫秒范围内更新占空比足以获得稳定且快速的跟踪器。选择该系统所需的开关频率,因为这不会影响控制器,但请确保SW频率适合您的组件。使用较高的频率可以使您使用较小的组件并增加SW损耗,因此请找到所用电源模块的最佳频率,并确保该频率高于占空比更新器频率。


硬件连接和测试结果


 光伏电池模拟器


光伏电池是一个二极管,一旦光子击中它就会产生功率并产生电压差。要模拟系统中PV电池的相同行为以进行仿真测试,只需用以下内容替换:


电流源(色度E负载可以做到这一点)

功率二极管。

两个电阻。

下图显示了如何连接组件以模拟PV电池,并显示了模拟PV电池实际行为的模型输出电压以及模型如何工作。参见所示的三个点(a,b和c)的电压曲线。c处的VI曲线可模拟光伏电池的确切行为。



图10:光伏建模

验证测试



图11:占空比测量

启动占空比增加


该电路以较小的占空比从OV点开始,电压为550 mV。然后,它会增加占空比,从而将工作点推向MPP。一旦系统超出了MPP,它就会将占空比递减以跟踪MPP。在图11中,系统围绕MPP徘徊。 


测试占空比更新器频率



图12:占空比更新器输出测试

图12显示了占空比更新器输出处的信号。通道1显示数据,通道3显示系统的更新/保持引脚。


不稳定的例子


下图显示了使用系统进行非常快速的占空比更新时的不稳定性,如下图所示,该占空比非常快地更新了占空比,电压需要一些时间才能稳定在OV点。然后系统意识到它是区域B,因此它开始非常快速地增加占空比,但是电压在SC点处下降。



图13:不稳定性示例

功率级电路


IC将控制功率升压电路以获取PV电池的最大功率。Boost转换器主要用于将输入电压升压至稳定的输出电压,但是在MPPT中,这并不是目的。MPPT通过将PV工作点推至最大功率点,使用Boost转换器充当负载与PV之间的接口。在此电路中,我们正在控制输入阻抗以获取最大功率。下图显示了Boost转换器的实现。该电路不是Boost转换器的完美实现。用户可以根据所选的PV电池功率创建Boost转换器或使用市场上的一种动力系统。大功率应用需要大电流MOSFET和更大的电感器。在这种情况下,



图14:功率级(升压转换器)

图14显示了系统的启动。如前所述,它从开路点开始,GP开始产生占空比,并增加占空比,以将工作点推向最大功率点,并稳定下来围绕它振荡。在下面的图15中,我们将更新器的慢速频率与3x 47 µF的电阻负载并联使用作为输出滤波器。确保使用高于占空比更新频率的开关频率,并确保没有任何短路,以免发生热故障和重做工作。



图15:MPPT运行时PC电池电压

结论


本文演示了使用“扰动和观察”拓扑的最大功率点跟踪器的完整系统实现。MPPT将使光伏电池在提供最大功率的电压下工作。任何设计人员都可以将这样的电路连接至系统,并实现该解决方案的优势。此实现说明,此类项目使我们降低了功耗,同时具有相对较小的设备尺寸。


 


参考文献


“预测性和自适应MPPT扰动和观测方法”,有关航空航天和电子系统的IEEE事务(第43卷,第3期,2007年7月),

“扰动的优化和观测最大功率点跟踪方法”,有关电力电子的IEEE事务(第23卷:20,第4期,2005年7月)。


 


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