基于MPPT的太陽(yáng)能充放電控制器的研究和設(shè)計(jì)

付華良，劉艷云，王一凡

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213164)

基于MPPT的太陽(yáng)能充放電控制器的研究和設(shè)計(jì)

付華良，劉艷云，王一凡

(常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇常州，213164)

文章設(shè)計(jì)出了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能充放電控制器，提高了MPPT效率，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池充放電狀態(tài)。延長(zhǎng)蓄電池壽命，節(jié)約了系統(tǒng)成本。

MPPT；充放電控制器；蓄電池；擾動(dòng)觀察法

1 太陽(yáng)能電池的等價(jià)回路及特性曲線分析

太陽(yáng)能電池板等價(jià)回路如圖1所示，其解析公式為：

其中，I為太陽(yáng)能電池輸出電路，V為輸出電路，為光生電流，為二極管飽和電流，q為電子電荷量（1.6× 10?19C，Rs為電池并聯(lián)電阻，n為二極管特性因子，k為波爾茲曼常數(shù)，T為太陽(yáng)能電池溫度，Rsh為太陽(yáng)電池并聯(lián)電阻。

圖1 太陽(yáng)能電池等價(jià)電路

由伏安特性可知，變化的溫度對(duì)太陽(yáng)能電池的開路電壓影響較大，而光照強(qiáng)度的變化對(duì)太陽(yáng)能電池的短路電流影響較大。

2 MPPT算法分析

根據(jù)以上分析，太陽(yáng)能電池在某一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下，有最大功率輸出點(diǎn)，一般情況下，太陽(yáng)能電池并沒有一直工作在這個(gè)點(diǎn)，因此輸出效率也很低，為了能夠充分利用太陽(yáng)能電池板，對(duì)光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤就是必不可少的。

擾動(dòng)觀察法（P&O）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要檢測(cè)的參數(shù)少，對(duì)傳感器精度要求低，應(yīng)用較廣泛。其思路如下：控制器在每個(gè)控制周期內(nèi)都用一個(gè)固定干擾步長(zhǎng)去改變電池板的輸出電壓和電流，同時(shí)實(shí)時(shí)采樣改變步長(zhǎng)前與改變步長(zhǎng)后太陽(yáng)能電池板輸出的電壓和電流值，并計(jì)算出功率值，比較改變前后功率變化值，假設(shè)用改變后的功率減去改變前的功率得到的ΔP>0，則說明改變步長(zhǎng)的方向正確，下一個(gè)周期繼續(xù)按原方向進(jìn)行擾動(dòng)；反之，如果ΔP<0，那么說明擾動(dòng)是背離最大功率點(diǎn)，下一個(gè)周期則應(yīng)該改變步長(zhǎng)的擾動(dòng)方向，直至找到最大點(diǎn)。采用固定步長(zhǎng)ΔU的P&O算法，在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致在MPP附近產(chǎn)生大幅震蕩，能量損失嚴(yán)重。

本文采用可變步長(zhǎng)的P&OMPP控制，當(dāng)dP/dU>0，位于最大功率點(diǎn)左側(cè)；當(dāng)dP/dU=0，位于最大功率點(diǎn)；當(dāng)dP/dU<0，位于最大功率點(diǎn)右側(cè)。無功系統(tǒng)工作最大功率點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，當(dāng)端電壓逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓時(shí)，均單調(diào)遞減，當(dāng)系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)時(shí)，dP/dU等于零。dP/dU的正負(fù)以及大小可以反映系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)的方向和大小，基于上述特性，定義電壓擾動(dòng)的表達(dá)式為Usetk=Usetk-1+α×(ΔP/ΔU)，其中α為步長(zhǎng)調(diào)整因子，為正數(shù)，α的整定值不宜過大，其值應(yīng)滿足。對(duì)于上述可變步長(zhǎng)的控制策略，當(dāng)系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)較大的時(shí)候，dP/dU也較大，跟蹤的調(diào)整步長(zhǎng)也較大；而當(dāng)系統(tǒng)偏離最大功率點(diǎn)較小時(shí)，dP/dU也較小，提高了MPPT的跟蹤精度。該算法的流程：首先采集當(dāng)前UK、IK，并計(jì)算上一個(gè)時(shí)刻(k-1)采集的電壓和功率和當(dāng)前時(shí)刻(k)采集的數(shù)據(jù)的變化量ΔU和ΔP，當(dāng)ΔU足夠小的時(shí)候，可以用ΔP/ ΔU代替dP/dU，判斷ΔP/ΔU，如果為零，說明工作在最大功率點(diǎn)，否則調(diào)整步長(zhǎng)Usetk，直至工作在最大功率點(diǎn)處。

3 蓄電池充電方法分析

鉛酸蓄電池的充電方法本文采用三階段充電方法，首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式，在電池充電至80%-90%容量后，轉(zhuǎn)為浮充（恒壓充電）模式，為防止可能出現(xiàn)的蓄電池充電不足，最后再加上涓流充電，使已基本充足電的蓄電池極板內(nèi)部較多的活性物質(zhì)參加化學(xué)反應(yīng)，充電較徹底，這一階段的充電電壓比恒壓階段的電壓要低。

本文選用的太陽(yáng)能電池開路電壓為21.6V，最大功率100W，最大功率點(diǎn)的電壓為18.17V，電流為5.51A；鉛酸蓄電池為12V100AH。系統(tǒng)工作時(shí)自動(dòng)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電；當(dāng)蓄電池處于浮充狀態(tài)時(shí)電壓控制在13.7V，當(dāng)蓄電池電壓低于10.8V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載，當(dāng)蓄電池電壓高于14.8V時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷負(fù)載，當(dāng)從高于14.8V回落到14.7V時(shí)自動(dòng)接通負(fù)載。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 DC/DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

實(shí)現(xiàn)MPPT的電路通常采用斬波器來完成直流/直流變換，斬波器電路分為降壓型變換器（buck）和升壓型變壓器（Boost）。由前面的描述可知，本文的太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)電壓大于蓄電池電壓，所以選擇buck型電路，其工作原理是使用PWM方法控制功率管Q的占空比，對(duì)電路輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使太陽(yáng)能電池內(nèi)阻和負(fù)載進(jìn)行阻抗匹配，從而使系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)。其中開關(guān)管Q選用電壓驅(qū)動(dòng)型MOSFET，該開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，開關(guān)損耗小；續(xù)流二極管D2選用肖特基二極管，滿足開關(guān)器件高頻率通斷要求；濾波電感L和儲(chǔ)能電容C2組成低通濾波器，可以消除由于開關(guān)器件高速通斷帶來的高次諧波干擾。

4.2 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖包括控制器，采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路等。控制器采用STC12C5204AD單片機(jī)為核心控制器件，主控芯片功能包括A/D采樣、MPPT算法、充放電控制、PWM脈沖產(chǎn)生即驅(qū)動(dòng)電路。通過太陽(yáng)能電池電壓電流采集模塊采集電壓電流進(jìn)行MPPT算法，進(jìn)而產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)Buck變換電路的開關(guān)器件，使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)；通過采集蓄電池的電壓信號(hào)，決定是向蓄電池充電還是蓄電池向負(fù)載放電，充電時(shí)采用三階段充電法。蓄電池在使用過程中要避免過放，當(dāng)臨近放電終了，應(yīng)立即停止放電，否則將給蓄電池帶來不可逆轉(zhuǎn)的損害。控制器通過控制MOS管Q2的開關(guān)，保護(hù)蓄電池過放。

4.3 采樣電路設(shè)計(jì)

采樣電路包括電池板的電壓和電流采樣以及溫度檢測(cè)。電壓采樣采用分壓的方式實(shí)現(xiàn)，將實(shí)際電壓經(jīng)過1%精密電阻按比例進(jìn)行衰減，將分壓后的電壓值輸入到單片機(jī)AD通道進(jìn)行檢測(cè)。本系統(tǒng)在使用過程中，必須對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度補(bǔ)償主要是通過溫敏電阻來釆樣蓄電池工作環(huán)境中的溫度，然后通過軟件對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件使用C語言編程，主程序框圖如圖2所示。系統(tǒng)工作時(shí)，首先初始化，然后采集環(huán)境溫度，根據(jù)溫度判斷是否進(jìn)行溫度補(bǔ)償，檢測(cè)蓄電池電壓來判斷進(jìn)入相應(yīng)的充電子程序；檢測(cè)太陽(yáng)能電池的電壓和電流，進(jìn)入MPPT算法，判斷直至找到最大功率點(diǎn)。

圖2 MPPT主程序框圖

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1中為MPPT控制器的輸出電壓Vin、Iin和輸出功率的實(shí)驗(yàn)記錄，光照強(qiáng)度主要影響太陽(yáng)能電池板的輸出電流。本控制器使用的變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法算法能實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，提高了太陽(yáng)能電池的使用效率。

表1 太陽(yáng)能電池輸出

7 結(jié)論

本文使用的變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法算法，能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)MPPT，提高系統(tǒng)的使用效率；同時(shí)設(shè)計(jì)的充放電控制器，能有效的控制太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池的充電，并保護(hù)蓄電池過放，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，節(jié)省了系統(tǒng)成本。

[1]李安定、呂全亞，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[2]Al-Diab A ,Sourkounis C. Variable step size P&O MPPT algorithm for PV systems[A].Optimization Electrical and Electronic Equipment(OPTIM),2010 International conference on[c].IEEE,2010:1097-1102.

Research and Design on MPPT Algorithm Solar Charging and Discharging controller

Fu Hualiang，Liu Yanyun, Wang Yifan
(Chang Zhou Textile Garment Institute,Changzhou Jiangsu,213164 )

This paper design a kind of solar charging and discharging controller based on MCU. And it can evaluate state of battery and reduce the cost of the system.

MPPT;Charging and Discharging controller; battery; Perturb and Observer(P &O)method

付華良（1984-），山東德州人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)殡娮优c通信工程、電氣自動(dòng)化技術(shù)。

2013常州紡院學(xué)術(shù)科研基金項(xiàng)目——微型家用智能光伏發(fā)電小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（編號(hào)CFK201309）。

劉艷云（1979-），河北保定人，副教授。

王一凡( 1977-)，男，漢族，江蘇常州人，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)。