CN103326559B - 一种太阳能电池阵列功率变换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种太阳能电池阵列功率变换系统，包括n个大电流太阳能阵、m个小电流太阳能阵、分压网络、主误差放大器、稳压电路、n个大电流阵顺序滞环控制器、小电流部分控制器和m个小电流阵顺序滞环控制器。本发明基于S3R控制技术提出了能量并行处理控制策略，把太阳能阵列分成两部分：小电流太阳能阵列部分和大电流太阳能阵列部分，小电流部分始终处于开关调节状态，大电流不是处于供电就是处于分流状态而不会处于调节状态。由于只有小电流处于开关调节状态，因而开关损耗较低；又由于只有小电流部分调节母线电压，因而减小母线电容RMS电流和潜在的EMI问题。

Description

一种太阳能电池阵列功率变换系统

技术领域

本发明涉及太阳能电池阵列功率变换系统。

背景技术

随着电源系统功率的进一步提高和砷化镓（GaAs）多节太阳能电池的引入，使得S3R调节技术的设计变得更加复杂，采用“砷化镓（GaAs）三接调节技术”的太阳能阵列（28%）较传统硅阵列（18%）具有更高的效率、重量和体积都相应地减少等优点，但是它的寄生参数明显增加。

寄生参数的增加会带来以下问题：

1.当MOSFET开通的瞬间，寄生电容C_SA放电，我们由i=C_SA*dU/dT可知，在开通瞬间必然会产生很高的尖峰电流，一方面需要设计一个电流吸收装置来减小电流尖峰，更重要一方面是它会使得开关损耗很大，效率降低；

2.增加由于寄生电容带来的延迟时间会降低母线直流特性，降低整个控制系统带宽，使得输出阻抗提高，削弱系统动态响应。

传统的S3R中，主误差放大器（MEA）是整个系统的能量调度控制器，其功能是稳定母线电压，控制不同的太阳能电池SA分别处在分流、供电或调整状态。

发明内容

本发明主要提出一种基于S3R控制思想将太阳能电池阵分两种类型，即大电流太阳能电池阵列和小电流太阳能电池阵列，进而实现太阳能电池的并行能量处理。该设计思想主要针对于S3R电源系统在高太阳能电池寄生电容、高单阵电流以及高母线电压应用中所存在的高开关频率、高损耗问题而提出的。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种太阳能电池阵列功率变换系统，包括n个大电流太阳能阵、m个小电流太阳能阵、分压网络、主误差放大器、稳压电路、n个大电流阵顺序滞环控制器、小电流部分控制器和m个小电流阵顺序滞环控制器；

大电流太阳能阵包括依次连接的大电流太阳能电池、功率调节电路和驱动电路，小电流太阳能阵包括依次连接的小电流太阳能电池、功率调节电路和驱动电路；

大电流太阳能阵和小电流太阳能阵的输出分别接母线，分压网络的输入端接于母线负载端，其输出端与主误差放大器的一个输入端连接；主误差放大器的另一个输入端接稳压电路的输出端，主误差放大器的输出一路作为n个大电流阵顺序滞环控制器各自的输入，大电流阵顺序滞环控制器的输出端分别与相应的大电流太阳能阵的驱动电路的输入端连接；主误差放大器输出的另一路接小电流部分控制器的一个输入端，小电流部分控制器的另外n个输入端分别与n个大电流阵顺序滞环控制器输出端连接，小电流部分控制器的输出端作为m个小电流阵顺序滞环控制器各自的输入；小电流阵顺序滞环控制器的输出端与相应的小电流太阳能阵的驱动电路的输入端连接。

进一步的，V_{ERROR_sas}=V_{ERROR_SAS}+N*ΔV_LL，其中，V_{ERROR_sas}为小电流部分控制器的输出电压，V_{ERROR_SAS}为主误差放大器的输出电压，ΔV_LL为大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距，N为处于供电状态的大电流太阳能阵的个数。

进一步的，小电流部分控制器包括加法器、乘法器和用于计算处于供电状态的大电流太阳能阵的个数的计数电路，计数电路的输出作为乘法器的输入，大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_LL自乘法器的另一输入端输入，加法器的两个输入端分别接主误差放大器的输出端和乘法器的输出端。

进一步的，小电流部分控制器包括加法器、电阻R₀、电阻R_A、电阻R_B、电阻R_Z、电阻R_i和计数子电路，加法器的负极输入端经过电阻R_A接地，电阻R_B接于加法器的输出端与负极输入端之间，主误差放大器的输出端经过电阻R₀与加法器的正极输入端连接，大电流阵顺序滞环控制器的输出端依次经过计数子电路和电阻R_i与加法器的正极输入端连接，加法器的正极输入端还经过电阻R_Z接地。

进一步的，计数子电路包括N-MOS管、电阻R_p、电阻R₁₁、电阻R₁₂和电容C₁₁，大电流阵顺序滞环控制器的输出端经过电阻R₁₂接N-MOS管的栅极，N-MOS管的栅极还经过并接的电阻R₁₁和电容C₁₁接地，其源级接地，其漏极作为计数子电路的输出端，并且漏极经过电阻R_p接工作电源。

进一步的，m＞I_SAS/I_sas，其中，I_SAS为所有大电流太阳能阵的供电电流之和，I_sas为所有小电流太阳能阵的供电电流之和。

进一步的，m=I_SAS/I_sas+3。

进一步的，小电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_ll=I_sas/G，其中，I_sa为所有小电流太阳能阵（2）的供电电流之和，G为功率变换系统的跨导增益。

进一步的，大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_LL=I_SAS/G，其中，I_SAS为所有大电流太阳能阵的供电电流之和，G为功率变换系统的跨导增益。

进一步的，稳压电路为稳压管，分压网络为分压电阻。

本发明具的有益效果是：本发明基于S3R控制技术提出了能量并行处理控制策略，把太阳能阵列分成两部分：小电流太阳能阵列部分和大电流太阳能阵列部分，小电流部分始终处于开关调节状态，大电流不是处于供电就是处于分流状态而不会处于调节状态。由于只有小电流处于开关调节状态，因而开关损耗较低；又由于只有小电流部分调节母线电压，因而减小母线电容RMS电流（电容纹波额定电流）和潜在的EMI（ElectroMagneticInterference，电磁干扰）问题。

通过对顺序滞环控制器的处理能力进行改造，同时将太阳能阵列分为大小不同电流，并保证MEA在控制上进行改进，可以使得能量并行处理得以实现，保证小电流阵列一直处于母线电压纹波调整，降低了调整路的开关频率和损耗。

由于只有小电流阵列进行母线稳压操作，大大削弱太阳能电池寄生电容对S3R架构电源的不良影响。

能量并行处理S3R架构可以保证在所有负载情况下，MEA电压对分流器输出电流的跨导增益一致，保证了整机外环设计的一致性。

能量并行处理S3R架构具有良好的动态特性和较低的输出阻抗。

附图说明

图1为本发明实施例的太阳能电池阵列变换系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中MAXER及关联部分的电路示意框图；

图3为本发明实施例中MAXER的电路结构图；

图4为本发明实施例中所有大电流阵顺序滞环控制器的滞环区间分布示意图；

图5为本发明实施例中，当m=6时所有小电流阵顺序滞环控制器滞环区间分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。在本发明的附图中，同一实施例的相关的多幅附图中同一个元件将用同一个符号表示。

传统的S3R中，主误差放大器（MEA）是整个系统的能量调度控制器，其功能是稳定母线电压，控制不同的太阳能电池阵分别处在分流、供电或调整状态。在本发明的基于并行能量处理S3R架构的太阳能电池阵列功率变换系统中，MEA仍然是整个系统的控制核心，然而在MEA控制基础上，增加了小电流部分控制器（MAXER）。

如图1所示所示的本发明实施例的太阳能电池阵列变换系统，包括n个大电流太阳能阵（以SAS表示）1、m个小电流太阳能阵（以sas表示）2、分压网络3、主误差放大器（MEA）4、稳压电路5、n个大电流阵顺序滞环控制器6、小电流部分控制器（MAXER）7和m个小电流阵顺序滞环控制器8；大电流太阳能阵1包括依次连接的大电流太阳能电池10、功率调节电路a1和驱动电路a2，小电流太阳能阵包括2依次连接的小电流太阳能电池20、功率调节电路a1和驱动电路a2；大电流太阳能阵1和小电流太阳能阵2的输出分别接母线9，分压网络3（分压网络可采用分压电阻，分压网络系数为K）的输入端接于母线9负载端，其输出端与主误差放大器4的一个输入端连接；主误差放大器4的另一个输入端接稳压电路5（稳压电路可选用稳压管实现）的输出端，主误差放大器4的输出一路作为n个大电流阵顺序滞环控制器6各自的输入，大电流阵顺序滞环控制器6的输出端分别与相应的大电流太阳能阵1的驱动电路a2的输入端连接；主误差放大器4输出的另一路接小电流部分控制器7的一个输入端，小电流部分控制器7的另外n个输入端分别与n个大电流阵顺序滞环控制器6输出端连接，小电流部分控制器7的输出端作为m个小电流阵顺序滞环控制器8各自的输入；小电流阵顺序滞环控制器8的输出端与相应的小电流太阳能阵2的驱动电路a2的输入端连接。

主误差放大器（MEA）4的输出电压V_{ERROR_SAS}一路作为n个大电流阵顺序滞环控制器6各自的输入，另一路经过小电流部分控制器（MAXER）7的模拟运算后，输出V_{ERROR_sas}电压信号，作为m个小电流阵顺序滞环控制器8各自的输入。通过MAXER的控制，使得V_{ERROR_sas}=V_{ERROR_SAS}+N*ΔV_LL，其中，ΔV_LL为大电流阵顺序滞环控制器6的滞环间距，N为处于供电状态的大电流太阳能阵1的个数。MAXER的目的是使得小电流太阳能阵2始终处于调整母线状态，大电流太阳能阵1不是处于供电状态就是处于分流状态。

如图1、2所示，小电流部分控制器（MAXER）7包括加法器71、乘法器72和用于计算处于供电状态的大电流太阳能阵的数量的计数电路73，计数电路73的输出作为乘法器72的输入，大电流阵顺序滞环控制器6的滞环间距ΔV_LL自乘法器72的另一输入端输入，大电流滞环间距ΔV_LL可预设于乘法器72中，加法器71的两个输入端分别接主误差放大器4的输出端和乘法器72的输出端。具体的，如图3所示，小电流部分控制器（MAXER）7包括加法器71、电阻R₀、电阻R_A、电阻R_B、电阻R_Z、电阻R_i（i=1,2,3,……,n）和计数子电路73i（i=1,2,3,……,n），加法器71的负极输入端经过电阻R_A接地，电阻R_B接于加法器71的输出端与负极输入端之间，主误差放大器4的输出端经过电阻R₀与加法器71的正极输入端连接，第i个大电流阵顺序滞环控制器6的输出电压V_{comp_i}供给计数子电路73i，计数子电路73i经过电阻R_i与加法器71的正极输入端连接，加法器71的正极输入端还经过电阻R_Z接地。计数子电路73i包括N-MOS管、电阻R_p、电阻R₁₁、电阻R₁₂和电容C₁₁，大电流阵顺序滞环控制器6的输出端经过电阻R₁₂接N-MOS管的栅极，N-MOS管的栅极还经过并接的电阻R₁₁和电容C₁₁接地，其源级接地，其漏极作为计数子电路73i的输出端，并且漏极经过电阻R_p接工作电源。通过合理的配置R₀、R₁、R₂、……、R_n，R_p，R_A和R_B的电阻值可以实现处于供电状态的大电流太阳能阵1的个数N和两路大电流顺序滞环控制器6的下限滞环间距ΔV_LL的积再与V_{ERROR_SAS}信号相加得到V_{ERROR_sas}。

可根据外环补偿器参数和母线电压纹波ΔV_ripple来确定小电流阵顺序滞环控制器的滞环区间分布。小电流阵顺序滞环控制器的单路滞环宽度是指单路滞环的正门限电压与负门限电压之差，根据单路滞环宽度可求得相邻滞环下限电压间距，即滞环间距ΔV_ll，由此可确定大电流阵顺序滞环控制器总体的分布情况。大电流阵顺序滞环控制器的滞环区间分布如图4所示，共有N个大电流阵列处于供电状态。

小电流太阳能阵列的个数m是由所有大电流太阳能阵的供电电流之和I_SAS和所有小电流太阳能阵电流之和I_sas共同决定的。根据小电流部分控制器（MAXER）的控制原理，m必须大于I_SAS/I_sas以保证在所有负载范围能够进行精确母线电压调节。这里取m=I_SAS/I_sas+3，以保证整个系统的可靠性，任意三个小电流分流器损坏不会对整机性能造成影响。以I_SAS为15A、I_sas为5A为例，小电流太阳能阵的个数m=6。各个小电流阵滞环区间顺序分布，最高基准电压的小电流太阳能阵的滞环上限值等同于大电流太阳能阵的滞环上限，最低基准电压的小电流太阳能阵的滞环下限值等于大电流太阳能阵的滞环下限，ΔV_LL表示大电流阵滞环控制器的滞环下限差值，即大电流阵滞环控制器的滞环间距。实际控制中，由于小电流阵列接收到的控制信号V_{ERROR_sas}等于大电流阵列接收到的控制信号的电压V_{ERROR_SAS}与处于供电状态的大电流阵列的数量N乘以大电流滞环间距ΔV_LL的和，即V_{ERROR_sas}=V_{ERROR_SAS}+N*ΔV_LL，保证在任意负载范围内小电流阵列处于母线调整状态，实现太阳阵能量的并行处理。

小电流滞环间距ΔV_ll与单路电流和跨导增益的关系为，根据系统稳定性和输出阻抗确定跨导增益G后，小电流滞环ΔV_ll可以确定：ΔV_ll=I_sas/G，同样，大电流滞环间距ΔV_LL=I_SAS/G，由整机外环电路设计确定系统跨导增益G后，即可确定大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_LL和小电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_ll。然后，根据大电流阵顺序滞环控制器的滞环宽度与小电流滞环间距的关系（结合图5所示），即可求得大电流阵顺序滞环控制器的滞环宽度。于是，所有大电流阵列和小电流阵列的滞环区间分布即可确定。

如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种太阳能电池阵列功率变换系统，其特征在于：包括n个大电流太阳能阵(1)、m个小电流太阳能阵(2)、分压网络(3)、主误差放大器(4)、稳压电路(5)、n个大电流阵顺序滞环控制器(6)、小电流部分控制器(7)和m个小电流阵顺序滞环控制器(8)；

大电流太阳能阵(1)包括依次连接的大电流太阳能电池(10)、功率调节电路(a1)和驱动电路(a2)，小电流太阳能阵(2)包括依次连接的小电流太阳能电池(20)、功率调节电路(a1)和驱动电路(a2)；

大电流太阳能阵(1)和小电流太阳能阵(2)的输出分别接母线(9)，分压网络(3)的输入端接于母线(9)负载端，其输出端与主误差放大器(4)的一个输入端连接；主误差放大器(4)的另一个输入端接稳压电路(5)的输出端，主误差放大器(4)的输出一路作为n个大电流阵顺序滞环控制器(6)各自的输入，大电流阵顺序滞环控制器(6)的输出端分别与相应的大电流太阳能阵(1)的驱动电路(a2)的输入端连接；主误差放大器(4)输出的另一路接小电流部分控制器(7)的一个输入端，小电流部分控制器(7)的另外n个输入端分别与n个大电流阵顺序滞环控制器(6)输出端连接，小电流部分控制器(7)的输出端作为m个小电流阵顺序滞环控制器(8)各自的输入；小电流阵顺序滞环控制器(8)的输出端与相应的小电流太阳能阵(2)的驱动电路(a2)的输入端连接；其中，小电流部分控制器(7)包括加法器(71)、乘法器(72)和用于计算处于供电状态的大电流太阳能阵(1)的个数的计数电路(73)，计数电路(73)的输出作为乘法器(72)的输入，大电流阵顺序滞环控制器(6)的滞环间距ΔV_LL自乘法器(72)的另一输入端输入，加法器(71)的两个输入端分别接主误差放大器(4)的输出端和乘法器(72)的输出端；其中，计数子电路(73i)包括N-MOS管、电阻Rp、电阻R11、电阻R12和电容C11，大电流阵顺序滞环控制器(6)的输出端经过电阻R12接N-MOS管的栅极，N-MOS管的栅极还经过并接的电阻R11和电容C11接地，其源级接地，其漏极作为计数子电路(73i)的输出端，并且漏极经过电阻Rp接工作电源。

2.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：V_{ERROR_sas}＝V_{ERROR_SAS}+N*ΔV_LL，其中，V_{ERROR_sas}为小电流部分控制器(7)的输出电压，V_{ERROR_SAS}为主误差放大器(4)的输出电压，ΔV_LL为大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距，N为处于供电状态的大电流太阳能阵(1)的个数。

3.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：小电流部分控制器(7)包括加法器(71)、电阻R₀、电阻R_A、电阻R_B、电阻R_Z、电阻R_i和计数子电路(73i)，加法器(71)的负极输入端经过电阻R_A接地，电阻R_B接于加法器(71)的输出端与负极输入端之间，主误差放大器(4)的输出端经过电阻R₀与加法器(71)的正极输入端连接，大电流阵顺序滞环控制器(6)的输出端依次经过计数子电路(73i)和电阻R_i与加法器(71)的正极输入端连接，加法器(71)的正极输入端还经过电阻R_Z接地。

4.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：m＞I_SAS/I_sas，其中，I_SAS为所有大电流太阳能阵(1)的供电电流之和，I_sas为所有小电流太阳能阵(2)的供电电流之和。

5.根据权利要求4所述的功率变换系统，其特征在于：m＝I_SAS/I_sas+3。

6.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：小电流阵顺序滞环控制器(8)的滞环间距ΔV_ll＝I_sas/G，其中，I_sas为所有小电流太阳能阵(2)的供电电流之和，G为功率变换系统的跨导增益。

7.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：大电流阵顺序滞环控制器的滞环间距ΔV_LL＝I_SAS/G，其中，I_SAS为所有大电流太阳能阵(1)的供电电流之和，G为功率变换系统的跨导增益。

8.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于：稳压电路(5)为稳压管，分压网络(3)为分压电阻。