基于Buck拓撲的光伏充電控制器設(shè)計

劉立強，韓 光，嚴全忠

(天寶電子(惠州)有限公司研究院，廣東惠州516005)

在一些邊遠無電地區(qū)，太陽能路燈、離網(wǎng)儲能系統(tǒng)有很大的應(yīng)用空間。太陽能光伏充電器將太陽能光伏陣列上的能量轉(zhuǎn)換為電能存儲在蓄電池中，供負載使用。相對傳統(tǒng)的太陽能充電器，帶MPPT功能的光伏充電控制器可以最大限度利用太陽能板。本文提出一種基于Buck拓撲的光伏控制器，該控制器帶MPPT充電功能，同時兼具三段式充電的優(yōu)點［1］。最后設(shè)計了一臺基于Buck拓撲的1.5 kW光伏充電控制器，測試結(jié)果表明該充電器具有很高的應(yīng)用價值。

1 數(shù)學(xué)模型及工作原理

如圖1所示，Upv和Ipv分別為太陽能板的電壓和電流，Ubat和 Ibat分別為蓄電池的電壓和電流，SW1、L1和D1分別為開關(guān)管、儲能電感和續(xù)流二極管，設(shè)SW1的開關(guān)周期為T，占空比為D，可得:

太陽能板輸出功率P1=UpvIpv;

圖1 Buck變換器拓撲

蓄電池充電功率P2=UbatIbat;

忽略開關(guān)器件損耗，由能量守恒定律可知，

由式(1)可知，對蓄電池充電，Ubat和Ibat是控制對象，通過對蓄電池電壓和電流檢測與控制，便可實現(xiàn)太陽能MPPT和充電管理。

根據(jù)上述模型，設(shè)計了一款基于Buck拓撲的光伏充電控制器。本系統(tǒng)采用了多段式充電方式，充電前系統(tǒng)會自動檢測電池狀態(tài)，選擇相應(yīng)的充電模式。以額定電壓為48 V的蓄電池為例:

(1)當(dāng)蓄電池過放電時(＜43.2 V)，采用涓流充電方式，待蓄電池電壓升至48 V時，切換到MPPT充電;

(2)當(dāng)開機檢測蓄電池電壓≥48 V時，直接用MPPT方式充電;

充電過程中，蓄電池電壓 ＞57.6 V時，切換到56 V恒壓充電，當(dāng)恒壓充電電流小于1 A時，切換到55.2 V浮充，當(dāng)充電電流小于0.6 A時，提示蓄電池已經(jīng)充滿。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體硬件設(shè)計

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，系統(tǒng)總體設(shè)計圖如圖2。

2.2 硬件電路介紹

如圖2所示，主電路采用了Buck拓撲電路，C1～C4分別為PV及電池側(cè)電容，用來濾波，Q1、D1及L1分別為Buck電路中的功率開關(guān)管、續(xù)流二極管及儲能電感。主電路中繼電器SW1的作用:(1)防止當(dāng)PV電壓低于蓄電池電壓時，蓄電池電流通過Q1寄生二極管“倒灌”，損壞太陽能電池板。(2)主觸點阻抗小，可減少導(dǎo)通損耗。Is1為電流霍爾傳感器，用來檢測充電電流。FU1為快速熔斷器，當(dāng)蓄電池反接時，可保護流二極管D1。

圖2 總體硬件設(shè)計圖

PIC16F1829是Macrochip公司的一款采用nano-Watt XLP技術(shù)的20引腳閃存高性能單片機，管腳AN4、AN5、AN6、AN10分別為4路 AD 口，用來采樣電壓、電流及溫度，RB6、RC5為I/O口，分別用來控制繼電器和風(fēng)扇工作。MCU發(fā)出的PWM信號通過光耦放大后驅(qū)動 MOS 管 Q1工作［2］。

2.3 系統(tǒng)軟件控制策略

系統(tǒng)以PIC16F1829作為主控芯片，通過實時采樣光伏陣列輸出電壓、蓄電池的電壓和充電電流，將充電電壓Ubat和充電電流Is1作為控制對象對光伏系統(tǒng)進行充電控制。整個充電過程可以分為四個部分:涓流充電、MPPT充電、恒壓充電及浮充充電。下面重點講述MPPT充電及恒壓浮充充電控制策略。

(1)MPPT充電

本文的MPPT控制策略是實時檢測蓄電池充電功率，采用一定的控制算法調(diào)整光伏陣列輸出功率，實現(xiàn)最大功率跟蹤。常用的MPPT算法有CVT、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、最優(yōu)梯度法等［3］。

本文采用恒壓跟蹤［4］(CVT)和變步長擾動相結(jié)合的方式，初期使用CVT，使輸出功率快速達到最大功率點MPP附近，然后采用小步長跟蹤到最大功率點，當(dāng)功率變化時，根據(jù)變化的幅度采用不同的步長重新跟蹤。該方法克服了單一步長的缺點，能根據(jù)實時的工作狀況調(diào)整步長，快速準確地跟蹤到最大功率點。其軟件控制流程圖如圖3。

(2)恒壓充電與浮充充電

當(dāng)蓄電池的端電壓超過過充保護閥值時，轉(zhuǎn)換到恒壓充電，通過PI調(diào)節(jié)使充電電壓穩(wěn)定在設(shè)定值。此階段蓄電池的充電電流將隨著其電勢的升高而逐漸減小。在恒壓充電結(jié)束時，蓄電池的容量基本接近充滿，為了補償蓄電池自放電損失，此時轉(zhuǎn)入浮充充電模式。

圖3 MPPT控制軟件流程圖

3 實驗結(jié)果

實驗采用Chroma 62150H-600S的可編程光伏模擬器作為充電控制器的PV輸入，為48 V/200 Ah蓄電池組充電。在PV最大輸出功率點為80 W和600 W條件下，得到圖4(圖中圓點是該時刻PV輸出功率點)。

圖4中，控制器在PV輸出功率為80 W和600 W時，均追蹤到了最大功率點。逐步調(diào)整PV最大功率點，得出表1數(shù)據(jù)。

圖4 最大輸出功率為80 W和600 W時的MPPT曲線圖

表1 調(diào)整PV測得數(shù)據(jù)

從表1可以看出，在整個功率段，MPPT跟蹤效率均可達到技術(shù)指標(biāo)要求的99%，因器件開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗較為固定，所以在低功率時，轉(zhuǎn)換效率相對低一點。

4 結(jié)束語

從實驗結(jié)果可以看出，基于Buck拓撲的光伏充電控制器，在提升光太陽能電池板利用率及轉(zhuǎn)換效率方面，優(yōu)于傳統(tǒng)的光伏充電器。從半年的實際運行結(jié)果來看，該方案穩(wěn)定可靠，具有實際應(yīng)用價值。

［1］李定珍.蓄電池自動充電裝置的研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2007.

［2］Micchip PIC16F/LF1825/1829數(shù)據(jù)手冊［Z］.

［3］陳 劍，趙崢鳴，袁立強，等.光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)的比較［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2010，50(5):700-704.

［4］葛麗芳，吳曉波，趙夢戀.基于固定電壓法的太陽能電池MPPT系統(tǒng)［J］.微電子學(xué)，2008，38(5):703-707.

［5］王 飛，余世杰，蘇建徽，沈玉梁.光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤的研究［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2004，7(2):35-36.