CN102361415A

CN102361415A - 光伏电池伏安特性模拟电源装置

Info

Publication number: CN102361415A
Application number: CN2011101261293A
Authority: CN
Inventors: 吴华波; 王小增; 李秉键; 徐俊杰; 连远坤; 刘恒昱; 朱瑜东
Original assignee: Jiaying University
Current assignee: Jiaying University
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: CN102361415B

Abstract

本发明公开了一种光伏电池伏安特性模拟电源装置，属于光伏电池技术领域，其技术要点包括由依序电连接的小功率光伏电池、电压检测电路、可调直流电源电路、负载、电流检测单元和可控恒流源负载电路组成，可控恒流源负载电路与小功率光伏电池电连接；可控恒流源负载电路电流与可调直流电源电路的输出电流成正比，可调直流电源电路输出电压与小功率光伏电池电压成正比；本发明旨在提供一种可真实模拟光伏电池伏安特性的光伏电池伏安特性模拟电源装置；主要用于光伏发电装置的开发、测试与性能评估。

Description

光伏电池伏安特性模拟电源装置

技术领域

本发明涉及一种模拟电源装置，更具体地说，尤其涉及一种光伏电池伏安特性模拟电源装置。

背景技术

光伏发电是太阳能应用的一种形式。光伏发电是将太阳光的辐射能通过光伏电池转换成电能，再将此电能通过某种变换器转换成另一种形式电能加以应用。由于太阳能发电在光电转换及发电过程中，不会产生污染，不消耗石油、煤炭等石化能源，因此可起到清洁发电，减小石化能源消耗的作用，因而受到各国的重视，我国亦通过政策给予大力扶持。

光伏电池输出的电能一般不能直接应用，通常需要接功率变换器(即光伏发电装置)将光伏电池输出的电能转换成负载使用的电能，因此光伏发电装置的开发是光伏发电技术的重要内容。

在光伏发电装置开发过程中，如果输入侧直接采用光伏电池供电，则容易受到天气光照变化的影响，光伏电池输出功率不稳定，影响发电装置的开发。为此，开发既具有光伏电池伏安特性，又能实现稳定功率输出的直流电源作为辅助装备是非常必要的。这种具有光伏电池伏安特性的模拟电源主要用于光伏发电装置的开发、测试与性能评估。

技术小背景及现有技术方案：

光伏电池输出伏安特性不同于一般的直流电源伏安特性，两者特性曲线对比如图3、图4所示：由图3可见，光伏电池伏安特性呈非线性下降特性，即当输出电流I增大时，输出电压U减小，当输出电流I增大到一定程度时，输出电压U急剧下降。而普通直流电源在一定输出功率范围内，输出电压几乎不随输出电流的增大而变化。

光伏电池伏安特性可用如下方程描述：

I = I_{LG} - I_{os} [e^{\frac{q}{AKT} (U + {IR}_{s})} - 1] - \frac{U + {IR}_{s}}{R_{sh}}

式中，I、U为光电池的输出电流和输出电压；I_LG为光电流；I_os为暗饱和电流；q为单位电荷；A为电池板特性常数；K为玻尔兹曼常数；T为光伏电池表面温度；R_s为电池串联电阻；R_sh为电池并联电阻。

显然，光伏电池的伏安特性为高度非线性的超越方程，为表达方便，可记为U＝f(I)，即光伏电池输出电压U是输出电流I的函数。

如果某种特殊的直流电源，其输出伏安特性具有图3所示之光伏电池伏安特性(或满足上述方程)，则称该直流电源为光伏电池伏安特性模拟电源。

目前光伏电池伏安特性模拟电源存在多种技术方案。

参阅图5所示，现有的光伏电池伏安特性模拟电源的技术方案之一，该技术方案由模拟电池板电路50(包括上段和下段模拟电池板电路，如图虚线框所示)、防反冲二极管VD、电压误差放大电路51和电压调节比较放大电路52和电压调节三极管VT₁组成。当模拟电池板电路50输出一定数值的电流I_o时，误差放大电路51检测输出电压U_o，检测到的输出电压信号通过比较放大电路52控制电压调整三极管VT₁。三极管VT1的集电极与电池板模拟电路50中间抽头连接。当三级管VT1导通程度发生变化，集电极电压改变，从而改变模拟电池板电路50的输出电压。模拟电池板电路50如图6所示，由I-V曲线(即光伏电池伏安特性曲线)生成电路和功率放大电路组成，其作用是通过电路来模拟光伏电池I-V曲线。

参阅图7所示，现有的光伏电池伏安特性模拟电源的技术方案之二，该技术方案主电路由前级的Boost电路70和后级的全桥DC-DC变换电路71构成。前级的Boost电路70将交流电压整流成直流电压并升高直流电压，后级全桥DC-DC变换电路71将Boost电路70输出的不稳定直流电压变换成稳定的直流输出电压U_o。该方案的控制核心为DSP(数字信号处理器)。DSP通过检测当前全桥DC-DC变换电路71的输出电流I_o，根据预存在DSP内部的光伏电池伏安特性曲线数据，确定输出电压的给定值，通过闭环控制，使输出电压稳定在由光伏电池伏安特性曲线确定的数值上。

参阅图8所示，现有的光伏电池伏安特性模拟电源的技术方案之三，该技术方案是在150V固定输出的直流电源的基础上，在通过Buck降压电路80，将固定的输出电压调整为可调输出电压。与方案二类似，该方案也是检测负载输出端的电压和电流，根据存储在控制电路内容的光伏电池伏安特性曲线数据，通过闭环控制，使电源的输出电压和电流符合光伏电池伏安特性曲线关系。

参阅图9所示，现有的光伏电池伏安特性模拟电源的技术方案之四，其技术方案原理为：由直流电源90提供原始直流电能，直流电能经过保护电路91后，输入到直流-直流变换电路92处理。直流-直流变换电路92的作用是将直流电源输出的固定的直流电能变换成可调的直流电能。可调的直流电能经过滤波电路93处理后供给负载使用。该方案以微处理器作为核心控制器，微处理器内部保存光伏电池伏安特性曲线数据。微处理器控制电路94通过采样电路95检测负载的电压和电流数值，通过闭环控制，使负载端的电压和电力满足光伏电池伏安特性曲线。

上述的现有技术，均存在下述的缺点：

(1)电路结构复杂。如技术方案1，采用复杂的电子线路实现光伏电池伏安特性；如技术方案4、5在结构上均采用了两级功率变换结构，功率变换效率低、电路结构复杂，成本高；

(2)光伏电池伏安特性系通过建立在微处理器内部的曲线数据实现的，是近似模拟，而非真实模拟，而光照、温度参数对伏安特性的影响等无法真实体现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构紧凑，可真实模拟光伏电池伏安特性的光伏电池伏安特性模拟电源装置。

本发明的技术方案是这样实现的：一种光伏电池伏安特性模拟电源装置，其中该装置主要由依序电连接的小功率光伏电池、电压检测电路、可调直流电源电路、负载、电流检测单元和可控恒流源负载电路组成，可控恒流源负载电路与小功率光伏电池电连接；可控恒流源负载电路电流与可调直流电源电路的输出电流成正比，可调直流电源电路的输出电压与小功率光伏电池输出电压成正比。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述的可调直流电源电路与电压检测电路之间的电路上设有选择开关，选择开关的动触点与可调直流电源电路的输出电压外控信号端电连接，选择开关的其中一个静触点与电压检测电路电连接；选择开关的另一个静触点电连接有电位器W3，该静触点与电位器W3的滑动端电连接，电位器W3电阻体的两端分别与可调直流电源电路的输出电压外控信号端和外部直流电源之间。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述装置还包括可调光源，可调光源与小功率光伏电池相对。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述的可控恒流源负载电路由电位器W1、运算放大器U1、三极管V1、V2和电阻R1、R2组成；三极管V1的集电极、发射极和电阻R1依序串联在小功率光伏电池的正负极之间，三极管V2的发射极与三极管V1的基极电连接，三极管V2的集电极与外部直流电源连接，电阻R2串联在三极管V2的集电极与外部直流电源之间的电路上；运算放大器U1的输出端与三极管V2的基极电连接，运算放大器U1的同相输入端与电位器W1电连接，运算放大器U1的反向输入端电连接在三极管V1的发射极与电阻R1之间的电路上。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述的电压检测电路由电位器W2、运算放大器U2、电阻R3、R4和R5构成；运算放大器U2的同相输入端与小功率光伏电池的正极电连接，电阻R3串联在运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的输出端与电位器W2电连接，电阻R4和R5串联后电连接在运算放大器U2的输出端与电位器W2之间，运算放大器U2的反向输入端电连接在R4和R5之间的电路上。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述的电流检测单元为霍尔电流传感器。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，该装置还包括合闸缓冲电路，该合闸缓冲电路由按钮SB1、SB2，功率继电器K1、K2、定时器T1和限流电阻RST组成；按钮SB1、SB2和功率继电器K1的电磁线圈串联在外部交流电源两端，定时器T1的电磁线圈与功率继电器K1的电磁线圈并联，功率继电器K1的1-2触点与按钮SB1关联，定时器T1的1-2触点与功率继电器K2的电磁线圈串联在外部交流电源两端；功率继电器K1的3-4触点和限流电阻RST串联在电流检测单元的电流输出端。

上述的光伏电池伏安特性模拟电源装置中，所述的外部直流电源为辅助直流电源，辅助直流电源还分别与运算放大器U1、U2和电流检测单元电连接。

本发明采用上述结构后，通过可调直流电源电路、小功率光伏电池和电压检测电路、电流检测电路及可控恒流源负载电路构成的简单电子线路即实现了光伏电池伏安特性模拟电源：可调直流电源的输出电压通过合闸缓冲电路输出到负载上，负载在直流电压的作用下产生直流电流；电流检测电路检测到负载电流并转换成控制信号，该控制信号用于控制可控恒流源负载电路的输出电流，且可控恒流源负载电流与可调直流电源的输出电流(即负载电流)成正比；可控恒流源负载的电流由小功率光伏电池提供；当小功率光伏电池输出一定的电流时，也相应输出一定的电压；电压检测电路检测光伏电池的输出电压，将检测到的光伏电池输出电压转换成控制信号，该控制信号作为可调直流电源的输出电压调节信号。最终使可调直流电源输出与小功率光伏电池输出电压成比例的电压；由于可调直流电源的输出电压和输出电流与小功率光伏电池的输出电压和输出电流均成比例，则可调直流电源的伏安特性与小功率光伏电池的伏安特性相同。从而真实地模拟了光伏电池伏安特性，光伏电池伏安特性是通过实时检测微小功率的光伏电池得到，属真实特性；进一步地，通过调整人工可调光源的光照强度，能模拟出日光光照强度变化、电池板温度变化对光伏电池伏安特性的影响。

附图说明

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明电路的结构方框图；

图2是本发明具体实施方式的电路结构示意图；

图3是光伏电池伏安特性曲线示意图；

图4是直流电源伏安特征曲线示意图；

图5是现有光伏电池伏安特性模拟电源的结构示意图之一；

图6是现有模拟电池板电路的结构示意图；

图7是现有光伏电池伏安特性模拟电源的结构示意图之二；

图8是现有光伏电池伏安特性模拟电源的结构示意图之三；

图9是现有光伏电池伏安特性模拟电源的结构示意图之四。

图中：小功率光伏电池1、电压检测电路2、可调直流电源电路3、负载4、电流检测单元5、可控恒流源负载电路6、选择开关7、可调光源8、合闸缓冲电路9、辅助直流电源10。

具体实施方式

参阅图1和图2所示，本发明的一种光伏电池伏安特性模拟电源装置，该装置主要由依序电连接的小功率光伏电池1、电压检测电路2、可调直流电源电路3、负载4、电流检测单元5和可控恒流源负载电路6组成，可控恒流源负载电路6与小功率光伏电池1电连接；可控恒流源负载电路6电流与可调直流电源电路3的输出电流成正比；可调直流电源电路3是指输出电压可通过外部信号调节的直流电源；该装置还包括外部直流电源，在本实施例中，外部直流电源为辅助直流电源10，辅助直流电源10分别与电压检测电路2、可调直流电源电路3、可控恒流源负载电路6和电流检测单元5电连接；在本实施例中，电压检测电路2由电位器W2、运算放大器U2、电阻R3、R4和R5构成；运算放大器U2与辅助直流电源10电连接，运算放大器U2的同相输入端与小功率光伏电池1的正极电连接，电阻R3串联在运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的输出端与电位器W2电连接，电阻R4和R5串联后电连接在运算放大器U2的输出端与电位器W2之间，运算放大器U2的反向输入端电连接在R4和R5之间的电路上；可控恒流源负载电路6由电位器W1、运算放大器U1、三极管V1、V2和电阻R1、R2组成；三极管V1的集电极、发射极和电阻R1依序串联在小功率光伏电池1的正负极之间，三极管V2的发射极与三极管V1的基极电连接，三极管V2的集电极与辅助直流电源10，电阻R2串联在三极管V2的集电极与辅助直流电源10之间的电路上；运算放大器U1与辅助直流电源10电连接，运算放大器U1的输出端与三极管V2的基极电连接，运算放大器U1的同相输入端与电位器W1电连接，运算放大器U1的反向输入端电连接在三极管V1的发射极与电阻R1之间的电路上；在可调直流电源电路3与电压检测电路2之间的电路上设有选择开关7，选择开关7的动触点与可调直流电源电路3的输出电压外控信号端电连接，选择开关7的其中一个静触点与电压检测电路2电连接；选择开关7的另一个静触点电连接有电位器W3，该静触点与电位器W3的滑动端电连接，电位器W3电阻体的两端分别与可调直流电源电路3的输出电压外控信号端和辅助直流电源10之间；选择开关7使可调直流电源电路3可工作在光伏特性模式，也可工作在普通可调恒压模式，以满足光伏装置开发过程中可能要求特定电压输出的需要；当选择开关7的动触点使之与电位器W3的滑动端连接时，此时可调直流电源电路3的输出电压给定信号Uc为电位器W3对辅助直流电源10电压VCC的分压，调整电位器W3旋钮，即可改变Uc，从而调整了可调直流电源电路3的输出电压；本实施例中的电流检测单元5为霍尔电流传感器；考虑到本实施方案的装置开始向负载4供电，负载4开始得电的瞬间，可能产生瞬间的浪涌电流，造成设备误动作或损坏，因此在本实施方案装置的输出端设置了合闸缓冲电路9，该合闸缓冲电路9由按钮SB1、SB2，功率继电器K1、K2、定时器T1和限流电阻RST组成；按钮SB1、SB2和功率继电器K1的电磁线圈串联在外部交流电源两端，定时器T1的电磁线圈与功率继电器K1的电磁线圈并联，功率继电器K1的1-2触点与按钮SB1关联，定时器T1的1-2触点与功率继电器K2的电磁线圈串联在外部交流电源两端；功率继电器K1的3-4触点和限流电阻RST串联在电流检测单元5的电流输出端；合闸缓冲电路9的工作原理是：①按下启动按钮SB1，功率继电器K1的电磁线圈得电，功率继电器K1的1-2触点闭合形成自保持，定时器T1的电磁线圈得电开始定时，功率继电器K1的3-4触点闭合，可调直流电源电路3输出端通过限流电阻RST向负载4充电；由于受到限流电阻RST的限制，充电电流可限制在安全范围内；②当定时器T1的定时时间到达规定的时间，可调直流电源电路3完成向负载4的充电，则定时器T1的1-2触点闭合，从而导致功率继电器K2的电磁线圈得电，功率继电器K2的1-2触点闭合，将限流电阻RST短路，可调直流电源电路中3开始向负载4正常供电。③当需要将可调直流电源电路3从负载4断开时，按下断开按钮SB2，则功率继电器K1的电磁线圈断电，定时器T1的电磁线圈断电，功率继电器K1的1-2触点断开，解除自保持，功率继电器K1的3-4触点断开。定时器T1的1-2触点断开，功率继电器K2的电磁线圈断电，功率继电器K2的1-2触点断开。从而可调直流电源电路3的输出端从负载4断开；进一步地，为了模拟光照的变化对光伏电池输出功率的影响，本实施方案装置还包括可调光源8，可调光源8与小功率光伏电池1相对，采用可调光源8照射小功率光伏电池1来模拟太阳光照射光伏电池。

本发明的工作原理是：负载4所需直流电压和直流电流由可调直流电源电路3提供，该可调直流电源电路3不限于何种结构何种类型，只要能对外提供输出电压可调信号、输出电压与可调信号基本为线性比例关系即可；采用霍尔电流传感器检测可调直流电源电路3输出电流，得到检测信号经过电位器W1分压后送入可控恒流源负载电路6；可控恒流源负载电路6中的三极管V1的集电极控制光伏电池输出电流的大小，其输出电流的大小与霍尔电流传感器的输出信号成正比，也即与可调直流电源电路3的输出电流成正比。通过电位器W1，可以调整输出电流范围；电压检测电路2的输出信号经电位器W2分压后作为外控信号接入到可调直流电源电路3的输出电压外控信号端，该外控信号与小功率光伏电池1输出电压成正比；从可调直流电源电路3的输出电压与外控信号成正比，外控信号与小功率光伏电池1输出电压成正比来看，则可调直流电源电路3的输出电压与小功率光伏电池1的输出电压成正比。通过电位器W2，可以调整输出电压范围；由于可调直流电源电路3的输出电压和输出电流均与小功率光伏电池1的输出电压和输出电流成比例，因而实现了可调直流电源的伏安特性模拟光伏电池的伏安特性。

Claims

1.一种光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，该装置主要由依序电连接的小功率光伏电池(1)、电压检测电路(2)、可调直流电源电路(3)、负载(4)、电流检测单元(5)和可控恒流源负载电路(6)组成，可控恒流源负载电路(6)与小功率光伏电池(1)电连接；可控恒流源负载电路(6)电流与可调直流电源电路(3)的输出电流成正比；可调直流电源电路(3)输出电压与小功率光伏电池(1)电压成正比。

2.根据权利要求1所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述的可调直流电源电路(3)与电压检测电路(2)之间的电路上设有选择开关(7)，选择开关(7)的动触点与可调直流电源电路(3)的输出电压外控信号端电连接，选择开关(7)的其中一个静触点与电压检测电路(2)电连接；选择开关(7)的另一个静触点电连接有电位器W3，该静触点与电位器W3的滑动端电连接，电位器W3电阻体的两端分别与可调直流电源电路(3)的输出电压外控信号端和外部直流电源之间。

3.根据权利要求1所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述装置还包括可调光源(8)，可调光源(8)与小功率光伏电池(1)相对。

4.根据权利要求1所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述的可控恒流源负载电路(6)由电位器W1、运算放大器U1、三极管V1、V2和电阻R1、R2组成；三极管V1的集电极、发射极和电阻R1依序串联在小功率光伏电池(1)的正负极之间，三极管V2的发射极与三极管V1的基极电连接，三极管V2的集电极与外部直流电源连接，电阻R2串联在三极管V2的集电极与外部直流电源之间的电路上；运算放大器U1的输出端与三极管V2的基极电连接，运算放大器U1的同相输入端与电位器W1电连接，运算放大器U1的反向输入端电连接在三极管V1的发射极与电阻R1之间的电路上。

5.根据权利要求1所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述的电压检测电路(2)由电位器W2、运算放大器U2、电阻R3、R4和R5构成；运算放大器U2的同相输入端与小功率光伏电池(1)的正极电连接，电阻R3串联在运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的输出端与电位器W2电连接，电阻R4和R5串联后电连接在运算放大器U2的输出端与电位器W2之间，运算放大器U2的反向输入端电连接在R4和R5之间的电路上。

6.根据权利要求1所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述的电流检测单元(5)为霍尔电流传感器。

7.根据权利要求1至6任一所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，该装置还包括合闸缓冲电路(9)，该合闸缓冲电路(9)由按钮SB1、SB2，功率继电器K1、K2、定时器T1和限流电阻RST组成；按钮SB1、SB2和功率继电器K1的电磁线圈串联在外部交流电源两端，定时器T1的电磁线圈与功率继电器K1的电磁线圈并联，功率继电器K1的1-2触点与按钮SB1关联，定时器T1的1-2触点与功率继电器K2的电磁线圈串联在外部交流电源两端；功率继电器K1的3-4触点和限流电阻RST串联在电流检测单元(5)的电流输出端。

8.根据权利要求2或4所述的光伏电池伏安特性模拟电源装置，其特征在于，所述的外部直流电源为辅助直流电源(10)，辅助直流电源(10)还分别与运算放大器U1、U2和电流检测单元(5)电连接。