一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置的製作方法
2023-10-24 20:16:12 3
專利名稱：一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種模擬電源裝置，更具體地說，尤其涉及一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置。
背景技術：
光伏發電是太陽能應用的一種形式。光伏發電是將太陽光的輻射能通過光伏電池轉換成電能，再將此電能通過某種變換器轉換成另一種形式電能加以應用。由於太陽能發電在光電轉換及發電過程中，不會產生汙染，不消耗石油、煤炭等石化能源，因此可起到清潔發電，減小石化能源消耗的作用，因而受到各國的重視，我國亦通過政策給予大力扶持。光伏電池輸出的電能一般不能直接應用，通常需要接功率變換器(即光伏發電裝置)將光伏電池輸出的電能轉換成負載使用的電能，因此光伏發電裝置的開發是光伏發電技術的重要內容。在光伏發電裝置開發過程中，如果輸入側直接採用光伏電池供電，則容易受到天氣光照變化的影響，光伏電池輸出功率不穩定，影響發電裝置的開發。為此，開發既具有光伏電池伏安特性，又能實現穩定功率輸出的直流電源作為輔助裝備是非常必要的。這種具有光伏電池伏安特性的模擬電源主要用於光伏發電裝置的開發、測試與性能評估。技術小背景及現有技術方案光伏電池輸出伏安特性不同於一般的直流電源伏安特性，兩者特性曲線對比如圖 3、圖4所示由圖3可見，光伏電池伏安特性呈非線性下降特性，即當輸出電流I增大時，輸出電壓U減小，當輸出電流I增大到一定程度時，輸出電壓U急劇下降。而普通直流電源在一定輸出功率範圍內，輸出電壓幾乎不隨輸出電流的增大而變化。光伏電池伏安特性可用如下方程描述
丄(tz+ffij U + IRI 二 WKr "I
_」 Ah式中，I、U為光電池的輸出電流和輸出電壓；Iui為光電流；I。s為暗飽和電流；q為單位電荷；A為電池板特性常數；K為玻爾茲曼常數；T為光伏電池表面溫度；RS為電池串聯電阻；Rsh為電池並聯電阻。顯然，光伏電池的伏安特性為高度非線性的超越方程，為表達方便，可記為U = f (I)，即光伏電池輸出電壓U是輸出電流I的函數。如果某種特殊的直流電源，其輸出伏安特性具有圖3所示之光伏電池伏安特性 (或滿足上述方程)，則稱該直流電源為光伏電池伏安特性模擬電源。目前光伏電池伏安特性模擬電源存在多種技術方案。參閱圖5所示，現有的光伏電池伏安特性模擬電源的技術方案之一，該技術方案由模擬電池板電路50 (包括上段和下段模擬電池板電路，如圖虛線框所示)、防反衝二極體 VD、電壓誤差放大電路51和電壓調節比較放大電路52和電壓調節三極體VT1組成。當模擬電池板電路50輸出一定數值的電流I。時，誤差放大電路51檢測輸出電壓U。，檢測到的輸出電壓信號通過比較放大電路52控制電壓調整三極體VT115三極體VTl的集電極與電池板模擬電路50中間抽頭連接。當三級管VTl導通程度發生變化，集電極電壓改變，從而改變模擬電池板電路50的輸出電壓。模擬電池板電路50如圖6所示，由I-V曲線(即光伏電池伏安特性曲線)生成電路和功率放大電路組成，其作用是通過電路來模擬光伏電池I-V曲線。參閱圖7所示，現有的光伏電池伏安特性模擬電源的技術方案之二，該技術方案主電路由前級的Boost電路70和後級的全橋DC-DC變換電路71構成。前級的Boost電路 70將交流電壓整流成直流電壓並升高直流電壓，後級全橋DC-DC變換電路71將Boost電路 70輸出的不穩定直流電壓變換成穩定的直流輸出電壓U。。該方案的控制核心為DSP (數位訊號處理器)。DSP通過檢測當前全橋DC-DC變換電路71的輸出電流I。，根據預存在DSP 內部的光伏電池伏安特性曲線數據，確定輸出電壓的給定值，通過閉環控制，使輸出電壓穩定在由光伏電池伏安特性曲線確定的數值上。參閱圖8所示，現有的光伏電池伏安特性模擬電源的技術方案之三，該技術方案是在150V固定輸出的直流電源的基礎上，在通過Buck降壓電路80，將固定的輸出電壓調整為可調輸出電壓。與方案二類似，該方案也是檢測負載輸出端的電壓和電流，根據存儲在控制電路內容的光伏電池伏安特性曲線數據，通過閉環控制，使電源的輸出電壓和電流符合光伏電池伏安特性曲線關係。參閱圖9所示，現有的光伏電池伏安特性模擬電源的技術方案之四，其技術方案原理為由直流電源90提供原始直流電能，直流電能經過保護電路91後，輸入到直流-直流變換電路92處理。直流-直流變換電路92的作用是將直流電源輸出的固定的直流電能變換成可調的直流電能。可調的直流電能經過濾波電路93處理後供給負載使用。該方案以微處理器作為核心控制器，微處理器內部保存光伏電池伏安特性曲線數據。微處理器控制電路94通過採樣電路95檢測負載的電壓和電流數值，通過閉環控制，使負載端的電壓和電力滿足光伏電池伏安特性曲線。上述的現有技術，均存在下述的缺點(1)電路結構複雜。如技術方案1，採用複雜的電子線路實現光伏電池伏安特性； 如技術方案4、5在結構上均採用了兩級功率變換結構，功率變換效率低、電路結構複雜，成本高；(2)光伏電池伏安特性系通過建立在微處理器內部的曲線數據實現的，是近似模擬，而非真實模擬，而光照、溫度參數對伏安特性的影響等無法真實體現。
實用新型內容本實用新型的目的在於提供一種結構緊湊，可真實模擬光伏電池伏安特性的光伏電池伏安特性模擬電源裝置。本實用新型的技術方案是這樣實現的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其中該裝置主要由依序電連接的小功率光伏電池、電壓檢測電路、可調直流電源電路、負載、 電流檢測單元和可控恆流源負載電路組成，可控恆流源負載電路與小功率光伏電池電連接；可控恆流源負載電路電流與可調直流電源電路的輸出電流成正比，可調直流電源電路的輸出電壓與小功率光伏電池輸出電壓成正比。[0022]上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述的可調直流電源電路與電壓檢測電路之間的電路上設有選擇開關，選擇開關的動觸點與可調直流電源電路的輸出電壓外控信號端電連接，選擇開關的其中一個靜觸點與電壓檢測電路電連接；選擇開關的另一個靜觸點電連接有電位器W3，該靜觸點與電位器W3的滑動端電連接，電位器W3電阻體的兩端分別與可調直流電源電路的輸出電壓外控信號端和外部直流電源之間。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述裝置還包括可調光源，可調光源與小功率光伏電池相對。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述的可控恆流源負載電路由電位器W1、運算放大器U1、三極體VI、V2和電阻Rl、R2組成；三極體Vl的集電極、發射極和電阻Rl依序串聯在小功率光伏電池的正負極之間，三極體V2的發射極與三極體Vl的基極電連接，三極體V2的集電極與外部直流電源連接，電阻R2串聯在三極體V2的集電極與外部直流電源之間的電路上；運算放大器Ul的輸出端與三極體V2的基極電連接，運算放大器 Ul的同相輸入端與電位器Wl電連接，運算放大器Ul的反向輸入端電連接在三極體Vl的發射極與電阻Rl之間的電路上。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述的電壓檢測電路由電位器 W2、運算放大器U2、電阻R3、R4和R5構成；運算放大器U2的同相輸入端與小功率光伏電池的正極電連接，電阻R3串聯在運算放大器U2的同相輸入端，運算放大器U2的輸出端與電位器W2電連接，電阻R4和R5串聯後電連接在運算放大器U2的輸出端與電位器W2之間， 運算放大器U2的反向輸入端電連接在R4和R5之間的電路上。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述的電流檢測單元為霍爾電流傳感器。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，該裝置還包括合閘緩衝電路，該合閘緩衝電路由按鈕SBl、SB2，功率繼電器Kl、K2、定時器Tl和限流電阻RST組成；按鈕 SBU SB2和功率繼電器Kl的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端，定時器Tl的電磁線圈與功率繼電器Kl的電磁線圈並聯，功率繼電器Kl的1-2觸點與按鈕SBl關聯，定時器Tl的 1-2觸點與功率繼電器K2的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端；功率繼電器Kl的3-4觸點和限流電阻RST串聯在電流檢測單元的電流輸出端。上述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置中，所述的外部直流電源為輔助直流電源，輔助直流電源還分別與運算放大器Ul、U2和電流檢測單元電連接。本實用新型採用上述結構後，通過可調直流電源電路、小功率光伏電池和電壓檢測電路、電流檢測電路及可控恆流源負載電路構成的簡單電子線路即實現了光伏電池伏安特性模擬電源可調直流電源的輸出電壓通過合閘緩衝電路輸出到負載上，負載在直流電壓的作用下產生直流電流；電流檢測電路檢測到負載電流並轉換成控制信號，該控制信號用於控制可控恆流源負載電路的輸出電流，且可控恆流源負載電流與可調直流電源的輸出電流(即負載電流)成正比；可控恆流源負載的電流由小功率光伏電池提供；當小功率光伏電池輸出一定的電流時，也相應輸出一定的電壓；電壓檢測電路檢測光伏電池的輸出電壓，將檢測到的光伏電池輸出電壓轉換成控制信號，該控制信號作為可調直流電源的輸出電壓調節信號。最終使可調直流電源輸出與小功率光伏電池輸出電壓成比例的電壓；由於可調直流電源的輸出電壓和輸出電流與小功率光伏電池的輸出電壓和輸出電流均成比例，則可調直流電源的伏安特性與小功率光伏電池的伏安特性相同。從而真實地模擬了光伏電池伏安特性，光伏電池伏安特性是通過實時檢測微小功率的光伏電池得到，屬真實特性；進一步地，通過調整人工可調光源的光照強度，能模擬出日光光照強度變化、電池板溫度變化對光伏電池伏安特性的影響。
以下結合附圖中的實施例對本實用新型作進一步的詳細說明，但並不構成對本實用新型的任何限制。
圖1是本實用新型電路的結構方框圖；圖2是本實用新型具體實施方式
的電路結構示意圖；圖3是光伏電池伏安特性曲線示意圖；圖4是直流電源伏安特徵曲線示意圖；圖5是現有光伏電池伏安特性模擬電源的結構示意圖之一；圖6是現有模擬電池板電路的結構示意圖；圖7是現有光伏電池伏安特性模擬電源的結構示意圖之二 ；圖8是現有光伏電池伏安特性模擬電源的結構示意圖之三；圖9是現有光伏電池伏安特性模擬電源的結構示意圖之四。圖中小功率光伏電池1、電壓檢測電路2、可調直流電源電路3、負載4、電流檢測單元5、可控恆流源負載電路6、選擇開關7、可調光源8、合閘緩衝電路9、輔助直流電源10。
具體實施方式
參閱圖1和圖2所示，本實用新型的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，該裝置主要由依序電連接的小功率光伏電池1、電壓檢測電路2、可調直流電源電路3、負載4、電流檢測單元5和可控恆流源負載電路6組成，可控恆流源負載電路6與小功率光伏電池1電連接；可控恆流源負載電路6電流與可調直流電源電路3的輸出電流成正比；可調直流電源電路3是指輸出電壓可通過外部信號調節的直流電源；該裝置還包括外部直流電源，在本實施例中，外部直流電源為輔助直流電源10，輔助直流電源10分別與電壓檢測電路2、可調直流電源電路3、可控恆流源負載電路6和電流檢測單元5電連接；在本實施例中，電壓檢測電路2由電位器W2、運算放大器U2、電阻R3、R4和R5構成；運算放大器U2與輔助直流電源10電連接，運算放大器U2的同相輸入端與小功率光伏電池1的正極電連接，電阻R3 串聯在運算放大器U2的同相輸入端，運算放大器U2的輸出端與電位器W2電連接，電阻R4 和R5串聯後電連接在運算放大器U2的輸出端與電位器W2之間，運算放大器U2的反向輸入端電連接在R4和R5之間的電路上；可控恆流源負載電路6由電位器W1、運算放大器U1、 三極體VI、V2和電阻Rl、R2組成；三極體Vl的集電極、發射極和電阻Rl依序串聯在小功率光伏電池1的正負極之間，三極體V2的發射極與三極體Vl的基極電連接，三極體V2的集電極與輔助直流電源10，電阻R2串聯在三極體V2的集電極與輔助直流電源10之間的電路上；運算放大器Ul與輔助直流電源10電連接，運算放大器Ul的輸出端與三極體V2的基極電連接，運算放大器Ul的同相輸入端與電位器Wl電連接，運算放大器Ul的反向輸入端電連接在三極體Vl的發射極與電阻Rl之間的電路上；在可調直流電源電路3與電壓檢測電路2之間的電路上設有選擇開關7，選擇開關7的動觸點與可調直流電源電路3的輸出電壓外控信號端電連接，選擇開關7的其中一個靜觸點與電壓檢測電路2電連接；選擇開關7的另一個靜觸點電連接有電位器W3，該靜觸點與電位器W3的滑動端電連接，電位器W3 電阻體的兩端分別與可調直流電源電路3的輸出電壓外控信號端和輔助直流電源10之間； 選擇開關7使可調直流電源電路3可工作在光伏特性模式，也可工作在普通可調恆壓模式， 以滿足光伏裝置開發過程中可能要求特定電壓輸出的需要；當選擇開關7的動觸點使之與電位器W3的滑動端連接時，此時可調直流電源電路3的輸出電壓給定信號Uc為電位器W3 對輔助直流電源10電壓VCC的分壓，調整電位器W3旋鈕，即可改變Uc，從而調整了可調直流電源電路3的輸出電壓；本實施例中的電流檢測單元5為霍爾電流傳感器；考慮到本實施方案的裝置開始向負載4供電，負載4開始得電的瞬間，可能產生瞬間的浪湧電流，造成設備誤動作或損壞，因此在本實施方案裝置的輸出端設置了合閘緩衝電路9，該合閘緩衝電路9由按鈕SB1、SB2，功率繼電器K1、K2、定時器Tl和限流電阻RST組成；按鈕SB1、SB2和功率繼電器Kl的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端，定時器Tl的電磁線圈與功率繼電器 Kl的電磁線圈並聯，功率繼電器Kl的1-2觸點與按鈕SBl關聯，定時器Tl的1-2觸點與功率繼電器K2的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端；功率繼電器Kl的3-4觸點和限流電阻 RST串聯在電流檢測單元5的電流輸出端；合閘緩衝電路9的工作原理是①按下啟動按鈕 SB1，功率繼電器Kl的電磁線圈得電，功率繼電器Kl的1-2觸點閉合形成自保持，定時器Tl 的電磁線圈得電開始定時，功率繼電器Kl的3-4觸點閉合，可調直流電源電路3輸出端通過限流電阻RST向負載4充電；由於受到限流電阻RST的限制，充電電流可限制在安全範圍內；②當定時器Tl的定時時間到達規定的時間，可調直流電源電路3完成向負載4的充電， 則定時器Tl的1-2觸點閉合，從而導致功率繼電器K2的電磁線圈得電，功率繼電器K2的 1-2觸點閉合，將限流電阻RST短路，可調直流電源電路中3開始向負載4正常供電。③當需要將可調直流電源電路3從負載4斷開時，按下斷開按鈕SB2，則功率繼電器Kl的電磁線圈斷電，定時器Tl的電磁線圈斷電，功率繼電器Kl的1-2觸點斷開，解除自保持，功率繼電器Kl的3-4觸點斷開。定時器Tl的1-2觸點斷開，功率繼電器K2的電磁線圈斷電，功率繼電器K2的1-2觸點斷開。從而可調直流電源電路3的輸出端從負載4斷開；進一步地， 為了模擬光照的變化對光伏電池輸出功率的影響，本實施方案裝置還包括可調光源8，可調光源8與小功率光伏電池1相對，採用可調光源8照射小功率光伏電池1來模擬太陽光照射光伏電池。 本實用新型的工作原理是負載4所需直流電壓和直流電流由可調直流電源電路 3提供，該可調直流電源電路3不限於何種結構何種類型，只要能對外提供輸出電壓可調信號、輸出電壓與可調信號基本為線性比例關係即可；採用霍爾電流傳感器檢測可調直流電源電路3輸出電流，得到檢測信號經過電位器Wl分壓後送入可控恆流源負載電路6 ；可控恆流源負載電路6中的三極體Vl的集電極控制光伏電池輸出電流的大小，其輸出電流的大小與霍爾電流傳感器的輸出信號成正比，也即與可調直流電源電路3的輸出電流成正比。 通過電位器Wl，可以調整輸出電流範圍；電壓檢測電路2的輸出信號經電位器W2分壓後作為外控信號接入到可調直流電源電路3的輸出電壓外控信號端，該外控信號與小功率光伏電池1輸出電壓成正比；從可調直流電源電路3的輸出電壓與外控信號成正比，外控信號與小功率光伏電池1輸出電壓成正比來看，則可調直流電源電路3的輸出電壓與小功率光伏
7電池1的輸出電壓成正比。通過電位器W2，可以調整輸出電壓範圍；由於可調直流電源電路3的輸出電壓和輸出電流均與小功率光伏電池1的輸出電壓和輸出電流成比例，因而實現了可調直流電源的伏安特性模擬光伏電池的伏安特性。
權利要求1.一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，該裝置主要由依序電連接的小功率光伏電池(1)、電壓檢測電路O)、可調直流電源電路(3)、負載G)、電流檢測單元(5) 和可控恆流源負載電路(6)組成，可控恆流源負載電路(6)與小功率光伏電池(1)電連接； 可控恆流源負載電路(6)電流與可調直流電源電路(3)的輸出電流成正比；可調直流電源電路(3)輸出電壓與小功率光伏電池(1)電壓成正比。
2.根據權利要求1所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述的可調直流電源電路C3)與電壓檢測電路( 之間的電路上設有選擇開關(7)，選擇開關(7) 的動觸點與可調直流電源電路(3)的輸出電壓外控信號端電連接，選擇開關(7)的其中一個靜觸點與電壓檢測電路O)電連接；選擇開關(7)的另一個靜觸點電連接有電位器W3， 該靜觸點與電位器W3的滑動端電連接，電位器W3電阻體的兩端分別與可調直流電源電路 (3)的輸出電壓外控信號端和外部直流電源之間。
3.根據權利要求1所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述裝置還包括可調光源(8)，可調光源(8)與小功率光伏電池(1)相對。
4.根據權利要求1所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述的可控恆流源負載電路(6)由電位器W1、運算放大器U1、三極體V1、V2和電阻R1、R2組成； 三極體Vl的集電極、發射極和電阻Rl依序串聯在小功率光伏電池(1)的正負極之間，三極體V2的發射極與三極體Vl的基極電連接，三極體V2的集電極與外部直流電源連接，電阻 R2串聯在三極體V2的集電極與外部直流電源之間的電路上；運算放大器Ul的輸出端與三極體V2的基極電連接，運算放大器Ul的同相輸入端與電位器Wl電連接，運算放大器Ul的反向輸入端電連接在三極體Vl的發射極與電阻Rl之間的電路上。
5.根據權利要求1所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述的電壓檢測電路O)由電位器W2、運算放大器U2、電阻R3、R4和R5構成；運算放大器U2的同相輸入端與小功率光伏電池(1)的正極電連接，電阻R3串聯在運算放大器U2的同相輸入端，運算放大器U2的輸出端與電位器W2電連接，電阻R4和R5串聯後電連接在運算放大器 U2的輸出端與電位器W2之間，運算放大器U2的反向輸入端電連接在R4和R5之間的電路上。
6.根據權利要求1所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述的電流檢測單元( 為霍爾電流傳感器。
7.根據權利要求1至6任一所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於， 該裝置還包括合閘緩衝電路(9)，該合閘緩衝電路(9)由按鈕SB1、SB2，功率繼電器K1、K2、 定時器Tl和限流電阻RST組成；按鈕SB1、SB2和功率繼電器Kl的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端，定時器Tl的電磁線圈與功率繼電器Kl的電磁線圈並聯，功率繼電器Kl的1-2 觸點與按鈕SBl關聯，定時器Tl的1-2觸點與功率繼電器Κ2的電磁線圈串聯在外部交流電源兩端；功率繼電器Kl的3-4觸點和限流電阻RST串聯在電流檢測單元( 的電流輸出端。
8.根據權利要求2或4所述的一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，其特徵在於，所述的外部直流電源為輔助直流電源(10)，輔助直流電源(10)還分別與運算放大器U1、U2和電流檢測單元(5)電連接。
專利摘要本實用新型公開了一種光伏電池伏安特性模擬電源裝置，屬於光伏電池技術領域，其技術要點包括由依序電連接的小功率光伏電池、電壓檢測電路、可調直流電源電路、負載、電流檢測單元和可控恆流源負載電路組成，可控恆流源負載電路與小功率光伏電池電連接；可控恆流源負載電路電流與可調直流電源電路的輸出電流成正比，可調直流電源電路輸出電壓與小功率光伏電池電壓成正比；本實用新型旨在提供一種可真實模擬光伏電池伏安特性的光伏電池伏安特性模擬電源裝置；主要用於光伏發電裝置的開發、測試與性能評估。
文檔編號H02N6/00GK202043061SQ20112015564
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月12日 優先權日2011年5月12日
發明者劉恆昱, 吳華波, 徐俊傑, 朱瑜東, 李秉鍵, 王小增, 連遠坤 申請人:嘉應學院