光伏陣列MPPT充電控制器的設計

鄧仙玉 魏學業

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

0 引言

太陽能以其資源豐富、分布廣泛、清潔可再生等特點，受到越來越普遍的重視。目前，太陽能電池面臨著造價高等問題，所以如何提高太陽能電池即光伏陣列的利用效率成為研究的熱點。

充電控制器是連接光伏陣列與用電負載的樞紐。目前市場上較為成熟完善的充電控制器采用PWM(Pulse Width Modulation)，即脈沖寬度調制模式，然而這種模式下往往不能使光伏陣列工作在其最大功率點(Maximum Power Point，MPP)，造成能量的損失。為了提高發電效率，需要采取一定的控制方法實時追蹤光伏陣列的輸出功率，使其工作在最大功率點上。此過程稱為最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

1 MPPT控制原理

1.1 光伏陣列輸出特性

光伏陣列的輸出呈現出一個非線性的狀態，在不同的光照條件下，它的I-V曲線及P-V曲線分別如圖1、2 所示。

圖1 不同光照強度下I-V曲線

由圖1及圖2可以得出光伏陣列的輸出特性:① 光伏陣列在輸出低電壓段相當于恒流源，高電壓段相當于恒壓源。②光照強度對短路電流的影響很大。短路電流隨光照強度的增強而增大。③ 輸出功率隨光照強度的增強而增大。在每個光照強度下的P-V曲線都有一個最大值，即最大功率點MPP(Maximum Power Point)。

圖2 不同光照強度下P-V曲線

1.2 MPPT 控制原理

最大功率點跟蹤(MPPT)控制是指實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預測當前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變阻抗情況來使太陽能電池板輸出工作在最大功率點上。

圖3所示為MPPT工作原理示意圖。圖中曲線Ⅰ、Ⅱ是兩種不同光照情況下光伏陣列的Ⅰ-Ⅴ特性曲線，A、B分別為情況Ⅰ、Ⅱ下光伏陣列的最大功率點，負載1、負載2為兩個不同負載的特性曲線。假設光伏陣列一開始工作在Ⅰ情況下的最大功率點A點，光強減弱使得光伏陣列的輸出變化至特性曲線Ⅱ，由于負載沒有改變，光伏陣列的工作點轉移到A'點。而此時光伏陣列的最大功率點為B點，這就需要對其外部電路進行控制使負載特性變為負載曲線2，實現與光伏器件的功率匹配，從而使光伏陣列輸出最大功率。

為了使光伏陣列帶任意電阻負載時都能工作在最大功率點上，必須在負載和光伏陣列之間加入一個阻抗變換器，一般使用DC-DC變換器來實現，通過調節開關管的導通時間來調整負載阻抗，從而實現光伏陣列的最大功率點跟蹤。

圖3 MPPT原理示意圖

2 MPPT控制器設計

本文采用PWM控制芯片CS51221來提供不同占空比的控制波形。該芯片提供軟啟動、可調節逐脈沖限流、欠/過壓鎖定、熱關斷等保護特性，并且提供輔助輸入端，用于遠程傳輸和監控。通過改變PWM波形的占空比來調節光伏陣列的等效負載，以保持光伏電池的輸出工作在最大功率點附近。本文避免了使用價格昂貴的微控制器(MCU)，大大降低了成本，并且方案簡單易實現，具有重要的實際意義。

2.1 控制器結構及工作原理

本文以圖3所示原理為基礎設計了一個MPPT控制器，其結構如圖4所示。

圖4 控制器結構框圖

由于光伏陣列的輸出范圍較大，大概在12-24 V之間，而蓄電池的電壓為12 V，給蓄電池的充電電壓最好在14-15 V，因此需要對光伏陣列輸出做一個電壓變換。PWM控制電路輸出一個PWM波形，用來控制DC-DC變換器中半導體開關管的開通關斷動作，從而改變DC-DC變換器的儲能及釋放，將光伏陣列的輸出轉換成15V直流電，再向蓄電池充電，并且調節負載特性，使光伏陣列輸出達到最大功率點。為了保持穩壓輸出，需要在輸出端取一個反饋電壓，并與芯片內部的基準電壓進行比較。電流限制電路能夠實時地根據光伏陣列的輸出設定電流限制，電流檢測電路對電流進行取樣，并與電流限制作比較。電壓、電流比較的結果用以調節PWM控制波形的占空比大小。

2.2 MPPT 電路

MPPT電路的作用是利用光伏陣列的輸出特性，逐周期的找到光伏陣列的最大輸出功率點。在DCM(斷續電流模式)反激的每個導通周期，開關管的電流從零開始上升到內部允許的最大電流限制，一旦光伏陣列的最大功率被超過時，電壓下降到零。其原理圖如圖5所示。

光伏陣列的電壓通過 R1，R2的分壓，與Q1基極電壓 VB=Vr-0.7 比較。如果電壓高于，Q1、Q2 均不導通，此時的電流限制

如果電壓低于VB，Q1、Q2 導通，此時的電流限制

理想情況下，電流限制LIMIT將設定在光伏陣列的最大功率點上，最大化利用所提供的光伏電池板的容量。

圖5 MPPT電路圖

3 DC-DC變換器

DC-DC變換器是接在直流電源和負載之間，通過半導體開關器件的開關動作將不可控的直流輸入變為可控的直流輸出的一種變換電路。它在光伏發電系統中，常用于電壓變換使用，如直流光伏輸電線路、逆變器和負荷間的電壓匹配變換等。常見的拓撲結構有單端正激型、單端反激型、推挽變換型及橋式變換型等。

本文中的DC-DC變換器采用單端反激拓撲結構。單端反激式開關電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20-100 W，可以同時輸出不同的電壓，且有較好的電壓調整率。其典型電路如圖6所示。

所謂的單端，是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側。所謂的反激，是指當開關管Q1導通時，變壓器T的初級電壓感應到次級，但是由于感應電動勢上負下正，所以整流二極管D1處于截止狀態，在初級繞組中儲存能量;當開關管Q1截止時，這個感應電動勢通過變壓器的繞組耦合到次級，由于次級的同名端和初級是反的，所以次級的感應電動勢是上正下負，當次級的感應電動勢達到輸出電壓時，次級整流二極管D1導通，初級電感在Q1開通時儲存的能量通過磁芯耦合到次級電感，然后通過次級線圈釋放到次級輸出電容C1中。

圖6 單端反激變換器原理圖

反激變換器中高頻變壓器T是電路的核心，設計合理的反激變壓器可以使整個開關電源穩定、高效地工作。光伏陣列輸出電壓為12-24 V，反激變換器的次級輸出為15 V/2 A給負載，輔助輸出12 V/1 A給芯片供電，開關頻率為100 KHz。根據輸出功率

選擇EE28/22型的鐵氧體磁芯，通過計算得到初級電感Lp=12μH，最大峰值電流 Iρk=10.6A，初級繞組 Nρ=6TS，次級繞組NS=11TS，輔助繞組NF=8TS，采用初級-輔助級-次級的三明治繞線方式，減小功率開關管的電壓應力，從而可以減小吸收電路，間接提高電源的效率。

4 仿真及結果

本文使用 MATLAB的 Simulink工具箱進行仿真驗證。根據光伏電池模型及所設計的電路進行模擬仿真，光伏組件參數選擇如下:內部串聯電阻 0.24 Ω，內部并聯電阻260 Ω，t=25℃，光照強度1000條件下短路電流3.8 A，開路電壓 22.1 V，峰值工作電流 3.5 A，峰值工作電壓 17.5 V，峰值功率60.4 W。結果如圖7所示。

圖7 光強改變時光伏陣列輸出功率圖

圖7表明在光照強度發生變化時光伏陣列輸出功率的變化情況。T=0.8 s時光強從1000變化到500，t=1.5 s時變化到750，可以看到輸出功率基本與理論值符合，且追蹤速度比較快。

5 結束語

本文針對充電控制器實時跟蹤光伏陣列輸出最大功率的控制方法進行研究，首先分析了光伏陣列輸出特性及MPPT基本控制原理，其次設計了一個基于PWM控制芯片及DC-DC電路的充電控制器，并進行了計算機仿真。結果表明該設計方案可行可靠，能夠實時準確地追蹤光伏陣列的最大功率。

［1］韓文穎，陳愛國.具有MPPT功能的太陽能光伏充電器［J］.電子測量技術，2009，32(10):30-32.

［2］馮垛生，張淼，趙慧，等.太陽能發電技術與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［3］王震.獨立太陽能光伏路燈系統中MPPT控制器的研究與設計［D］.湖北大學，微電子與固體電子學，2009.

［4］楊帆，彭宏偉，胡為兵.DC-DC轉換電路在光伏發電MPPT中的應用［J］.武漢工程大學學報，2008，30(3):104-106.

［5］Abraham I.Preeman著，王志強等譯.開關電源設計［M］.北京:電子工業出版社，2005.

［6］Cabal C，Alonso C，Cid-Pastor A，et al.Adaptive digital MPPT control for photovoltaic applications［J］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2007:2414-2419.