具有新型MPPT算法的獨立光伏充電器的研究

上海正泰電源系統有限公司 ■ 高平浙江正泰電器股份有限公司 ■ 黃甫

具有新型MPPT算法的獨立光伏充電器的研究

上海正泰電源系統有限公司 ■ 高平*
浙江正泰電器股份有限公司 ■ 黃甫

研究提出一種新型的MPPT算法，實現蓄電池在主充階段盡可能多的能量輸入，實現快速充電和固定頻率控制算法，實現蓄電池在均充、浮充階段的恒壓充電，從而提高獨立光伏充電器的充電效率，并通過硬件試驗平臺進行試驗運行和數據檢測，驗證該設計的有效性。結果表明，該太陽能獨立光伏充電系統采用新MPPT算法可實現蓄電池最大功率捕獲，符合設計的要求。

獨立太陽能；MPPT；充電器；DC-DC；電路；單片機

0　引言

目前，光伏發電系統因其發展成本降低，成為解決環境問題的一種有效解決方案［1，2］。光伏發電系統的研究備受研究者關注，提高光伏發電系統的發電效率仍是一個具有挑戰性的研究領域。由于光伏發電系統輸出功率與不同的負載電流、溫度和輻射有關，因此不能被建模為一個恒定的直流電流源。為了實現最大功率的捕獲，通常在太陽電池板與負載之間串聯一DC-DC功率轉換電路，基于太陽電池電壓和電流的檢測，通過最大功率點跟蹤（MPPT）算法輸出PWM控制DC-DC功率電路的運行。MPPT控制算法通常應用于DC-DC轉換器，其典型的連接圖如圖1所示。

圖1　PV系統MPPT控制典型框圖

目前蓄電池充電系統一般仍采用三階段充電法，包括主充、均充、浮充。蓄電池的三階段充電法避免了恒壓充電導致充電效率低、恒流充電導致蓄電池無法析氣的缺點，且基于光伏組件的I-V特性可通過控制算法實現采用固定頻率的恒壓工作模式或MPPT算法實現恒流工作模式。太陽電池輸出電氣特性結合蓄電池的三階段充電需求，可提高蓄電池主充階段的充電速度和充電效率，以及均充、浮充階段的蓄電池性能保護，提高蓄電池的使用壽命［3，4］。本文研究提出一種具有MPPT算法的獨立光伏充電器，在蓄電池的主充階段采用最大功率點跟蹤實現光伏組件最大功率的輸出，為蓄電池在主充階段實現最大能量的輸入，提高蓄電池的充電和應用效率，而在蓄電池的均充與浮充階段采用固定頻率電壓控制。上述蓄電池的各充電階段采用全數字化單片機檢測判斷，通過單片機的AD轉換器檢測太陽電池輸出和蓄電池電壓，從而可確定蓄電池的充電階段，實現蓄電池充電階段的轉換與蓄電池的能量精確管理。

1　太陽電池等效電路

太陽電池的電路模型由p-n半導體結組成，在光的照射下，會產生光電效應從而產生電流。所產生的電流取決于太陽輻射、溫度和負載電流。典型的太陽電池等效電路如圖2所示［5，6］。

太陽電池的基本I-V特性可由以下公式來進行描述：

式中，Ipv、Vpv分別為太陽電池電流、電壓；Isc為短路電流；ID為二極管前向導通電流；I0為p-n結的反向飽和電流；VD為二極管電壓；Rs為太陽電池串聯等效阻抗；RP為太陽電池并聯等效阻抗；VT為與溫度相關的電壓函數。

根據以上公式，得到如圖3所示的太陽電池的I-V特性曲線。

圖3　太陽電池的仿真曲線圖

2　光伏蓄電池充電系統

DC-DC功率電路根據電路工作電壓參數的不同，輸入電壓與輸出電壓的幅值相差可分為BUCK型、BOOST型和BUCK-BOOST型3種基本類型。BOOST型DC-DC功率電路的電感參數設計的足夠大，電路運行處于連續電流運行模式（CCM），于是功率電路的電流紋波輸出將會足夠小，可接近于直流。另一方面，BOOST型DC-DC功率電路的功率開關驅動信號電路容易設計，可降低系統的硬件設計難度及成本，如圖3所示的太陽電池I-V特性曲線可知，太陽電池的工作特性受外部的工作環境影響很大，如溫度、光照，通過對功率電路中主開關S的通斷控制，可實現太陽電池的最大功率輸出。本研究采用光伏發電系統通常采用的升壓型Boost電路來實現最大功率跟蹤光伏蓄電池充電系統［7，8］，具體電路拓撲如圖4所示。

圖4　太陽電池電路拓撲圖

3　具有MPPT算法的充電控制方法

高效的充電控制方法不僅能提高蓄電池的充電效率，而且還能提高蓄電池的安全使用壽命。本文提出的新型MPPT算法的充電控制方法計算分為兩階段：帶有MPPT算法的快速充電階段和固定頻率控制的恒壓充電階段，兩種不同的充電控制方式符合了蓄電池三階段充電方式的要求。

3.1快速充電階段

通過單片機檢測到蓄電池的端電壓Uout，根據Uout的檢測值判斷電池組是否需要快充；當確定蓄電池需要快充時，即光伏系統處于最大功率運行模式時，系統需要導入最大功率跟蹤算法。最大功率跟蹤算法最終輸出控制BOOST電路中開關的開關占空比及開關頻率的算法，其過程如下：

設BOOST電路的運行占空比為d，開關周期為Ts，太陽電池板的電壓為Upv，當BOOST升壓電路工作于電流臨界連續模式，則根據電感的伏秒平衡，電感的勵磁電壓與去磁電壓相等可得：

根據式（4）推導得到開關占空比d：

假設每個開關周期內電感的存儲能量為E1，則有：

式中，L為BOOST電感感量；Isp為電感電流值。

每個開關周期內輸出到電池的能量E2為：

式中，Po為輸出功率值。

根據能量守恒知E1=E2，則：

根據法拉第定律，BOOST電感的電壓為：

對式（9）兩邊取積分，可得電感電流為：

將式（10）代入式（8），則BOOST升壓電路的開關周期為：

采用目前最簡單的和最受歡迎的MPPT算法——功率擾動法（P&O算法）［7，8］，在一定的間隔時間檢測的功率變化ΔP=Pk-Pk-1，將光伏充電系統的運行狀態向輸出功率增加的方向操作，通過式（5）、式（11）可見BOOST轉換器系統的開關頻率Ts與占空比d跟著光伏系統的電壓擾動向功率增加的方向運行，即可實現最大功率的跟蹤計算。

3.2恒壓充電階段

通過單片機檢測到蓄電池的端電壓Uout，根據Uout的檢測值判斷電池組是否進入恒壓充電；當確定蓄電池電池需要進入恒壓充電時，BOOST升壓電路進入定頻的恒壓控制模式，則：

占空比的計算則根據數字檢測到的輸入電壓和輸出電壓的控制關系，如式（5）。具體算法可見如圖5所示的控制流程框圖。

圖5　具有MPPT算法的充電控制方法控制框圖

4　數字化充電能量管理

采用單片機的全數字化控制系統可精確實現蓄電池電量能量管理，電池能量的實時管理可保證蓄電池電池性能并提高其壽命。單片機通過AD檢測蓄電池電壓數值和太陽電池的電壓數值，根據采樣的數值進行蓄電池充電階段的判斷與轉換，并且需要對蓄電池的電量進行統計計算。可通過累積電池在充電或放電時的電量來確定蓄電池的電荷狀態（SOC），并且可根據蓄電池的溫度、放電率對蓄電池的SOC進行補償，提高蓄電池能量管理的效果［9］。具體可根據式（13）計算出；

式中，SOC0為初始SOC；CI為電池額定容量；I為充放電電流，充電時取負，放電時取正；η為充放電效率；t0、tf分別為充放電開始時間和結束時間。

5　試驗結果分析

根據圖4所示的獨立太陽能光伏蓄電池充電系統建立了試驗電路進行試驗。系統的參數：太陽電池板的最大開路電壓為42 V，MPPT電壓為18 V，最大功率為150 W。

上述獨立太陽能光伏蓄電池充電系統建立了試驗電路測試的蓄電池端電壓、充電電流及輸出功率的試驗測試數據，根據數據得到如圖6所示的數據折線圖。

圖6　蓄電池的端電壓-充電電流-功率數據折線圖

電路拓撲中主回路功率管的開關驅動波形圖如圖7和圖8所示。

圖7　MPPT調節輸出的PWM波形圖

圖 8 主功率開關管的驅動波形圖

從測試結果可知，系統根據太陽電池不同的狀態，其開關波形隨著最大功率的輸入進行調整，且采用本文的控制方式在MPPT系統運行的充電也具有較高效率。

6　結論

本文提出一種獨立太陽能光伏充電系統基于BOOST升壓電路，采用全數字化單片機系統，通過新型MPPT算法實現蓄電池主充和固定頻率恒壓控制實現均充和浮充，同時結合蓄電池的能量管理對蓄電池的充電階段進行精確的數字化控制，不僅可提高蓄電池的充電效率，而且還可實現蓄電池的長壽命使用運行。搭建了硬件試驗平臺進行試驗運行和數據檢測，試驗的運行數據結果表明，本文提出的獨立太陽能光伏充電系統采用新MPPT算法可實現蓄電池最大功率捕獲，符合設計的要求。

［1］ 李雷， 楊春. 我國光伏產業現狀與可持續發展策略研究［J］.中外能源， 2012， 17（4）： 28-37.

［2］ 國家發展和改革委員會. 可再生能源發展“十二五”規劃［J］.太陽能， 2012， （16）： 6-19.

［3］ Kattakayam T A， Srinivasan K. Lead acid batteries in solar refrigeration systems［J］. Renewable Energy， 2004， 29（8）： 1243-1250.

［4］ Cathefino H A， Feres F F， Trinidad F. Sulfation in lead-acid batteries ［J］. Journal of Power Sources， 2004， 129（1）： 113-120.

［5］ Levron Y， Shmilovitz D. Maximum power point tracking employing sliding mode control［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2013， 60（3）： 724-732.

［6］ 焦陽， 宋強， 劉文華. 基于改進MPPT算法的光伏并網系統控制策略［J］. 電力自動化設備， 2010， 30（12）： 92-96.

［7］ 王恩， 楊海柱， 陳廣華. 獨立光伏發電系統中蓄電池充電方法探究［J］. 電子質量， 2010， （6）： 21-23.

［8］ 胡恒生， 王慧， 趙徐成， 等. 蓄電池充電方法的分析和探討［J］. 電源技術應用， 2009， 12（8）：1-4.

［9］ 時劍， 單春賢， 童紅， 等. MCU控制的太陽能電池最大功率跟蹤控制器［J］.電力電子技術， 2008， 42（11）： 45-46.

2016-02-18

高平（1980—），男，碩士研究生，主要從事變頻驅動與新能源方面的研究。gaopingping1980@163.com