帶MPPT控制的光伏充電控制器的設計

王章權，裘楊杰

(浙江樹人大學信息科技學院，浙江杭州310015)

0 引言

光伏充電發(fā)電是利用太陽能組件的光生伏特效應，將光能轉換為電能，并儲存在蓄電池中供負載使用。它是集太陽能光伏技術和蓄電池技術于一體的新興技術［1，2]。但在現(xiàn)有的光伏充電系統(tǒng)中，較多存在充電效率不高，充電控制不合適的情況。本文設計的一種帶MPPT控制的光伏發(fā)電充電控制器，在光照強度足夠的情形下，可根據(jù)被充蓄電池的特點采用常用的三階段充電控制方法完成對蓄電池的智能控制。在光照強度不足的條件下，控制器能自動切換到MPPT控制狀態(tài)，并利用擾動觀察控制策略使光伏電池具有最大的功率輸出，從而提高光伏電池的發(fā)電效率。

1 光伏發(fā)電充電控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電充放電控制系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、蓄電池和控制器組成。由于太陽能電池的輸出電能很大程度受光照與溫度等環(huán)境條件的影響，存在著最大功率點問題［3]。因此，如何使太陽能電池達到較好的充電效率，提高電池利用率是本系統(tǒng)設計主要考慮的問題。特別是在光照強度不足的情況下，需利用MPPT技術使太陽能電池具有最大的功率輸出。圖1所示的控制器主要由DC-DC變換器和充電電流和電池電壓檢測器和微處理器等部分組成。這里微處理器通過對蓄電池充電電流與電壓的檢測，以選擇合適的充電控制模式。同時微處理器判斷光伏電池的工作狀態(tài)，以決定是否進行MPPT控制，并通過對DC-DC控制器占空比的調整，達到控制目標。

圖1 光伏發(fā)電充電控制器框圖

2 硬件設計

本設計選用的太陽能電池型號為FS156-45，其峰值功率45W。在標準環(huán)境條件下，開路電壓VOC=21V，短路電流ISC=3.3A，最大功率點電壓VMP=17V，最大功率點電流IMP=2.6A。蓄電池為CooPower生產(chǎn)的閥控式密封鉛酸蓄電池12V-4AH。為了使太陽能電池較好地符合充電要求，DC-DC變換器選用降壓型BUCK變換器，其主要電路原理圖圖2所示。

圖2 BUCK型充電電路

圖中PV+為光伏發(fā)電輸入端，Q1為BUCK電路使用的P溝道功率MOS管，CPU產(chǎn)生的PWM信號經(jīng)Q2對其驅動。為防止MOS管的GS電壓超過20V，用穩(wěn)壓管D3進行箝位保護。R2為充電電流取樣電阻，在VTB點測得的電壓信號經(jīng)后級電路放大后送CPU進行AD轉換，完成電流檢測。VTB+為電池電壓檢測點，所檢測的信號經(jīng)運放電路處理后送CPU進行AD轉換完成蓄電池電壓檢測。CPU根據(jù)充電控制要求結合所取樣的充電電流與電壓的大小，改變PWM的占空比D。當D上升時，Q1導通時間變大，充電電流上升，反之下降，以實現(xiàn)對蓄電池充電電流的控制;同時可以實現(xiàn)根據(jù)光伏陣列的輸出電壓隨輸出電流的變化的發(fā)電特性。而且，電路中PWM占空比調節(jié)可以使光伏陣列的輸出達到最佳狀態(tài)。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)整體軟件

本系統(tǒng)根據(jù)要完成的功能的不同，采用模塊化結構設計，將整個程序分為以下幾個功能模塊:A/D轉換模塊、最大功率跟蹤控制模塊、恒流充電模塊、恒壓充電模塊和浮充模塊。根據(jù)采樣所得的蓄電池端電壓和電流信號，判斷當前光伏陣列的輸出功率，從而選擇MPPT控制模式還是進行三階段充電控制模式。圖3為系統(tǒng)的軟件流程框圖。

圖3系統(tǒng)整體軟件框圖

3.2 最大功率充電程序設計

圖4為光伏陣列在相同溫度不同光照強度下，輸出功率P(W)與輸出電壓U(V)之間的關系。圖中功率曲線1光照強度最強，曲線3光照強度最弱。顯然，光照強度越大，輸出功率越大，且存在最大輸出功率點;PMIN為不同光照條件下能實現(xiàn)對電池的恒流充電所需的最小功率(本文實驗恒定充電電流IH設為0.4A)。在光照強度足夠的情況下，光伏陣列輸出功率能達到PMIN以上，則只要調節(jié)PWM的占空比D，使光伏陣列的工作點位于PMIN之上，即可實現(xiàn)恒流充電。但此時MPPT控制失去意義，因為要實現(xiàn)恒流充電，則無法保證光伏陣列工作于最大功率點上。顯然此時光伏陣列的功率輸出效率不一定達到最高。

而在光照強度不足的情況下，光伏陣列的輸出功率達不到PMIN而無法實現(xiàn)對電池的恒流充電。在這種情況下，為盡可能使光伏陣列有最好利用率，應調節(jié)PWM占空比D，使光伏陣列的輸出工作于其最大功率點。比較圖4中的兩個工作點A和B，盡管這兩個工作點都能實現(xiàn)BUCK電路正常工作實現(xiàn)對電池的充電。但如果工作于最大功率點A點，則能輸出最大功率，從而有更好的充電效率。

圖4 光伏陣列輸出功率與輸出電壓的關系

根據(jù)BUCK變換器的功率傳輸特性，如果不考慮器件損耗，則BUCK輸入功率的變化與輸出功率的變化可以看作相等。因此，當電池充電功率最大時，即近似可看作光伏陣列輸出功率達到最大。根據(jù)這一特性，本系統(tǒng)以充電電流最大為目標，利用擾動觀察控制策略，實現(xiàn)MPPT控制，其控制流程如圖5所示。圖中Ibat_k表示當前蓄電池充電電流采樣值，Ibat_k－1表示前一次蓄電池充電電流采樣值。當光照強度無法滿足恒流充電條件時，通過擾動充電控制電路PWM信號占空比D，并采樣擾動前后充電電流的變化選擇擾動方向，使其按最大充電電流方向變化，達到光伏陣列最大充電輸出功率的目的。

圖5 最大功率充電控制流程

3.3 充電控制程序設計

對蓄電池而言，選擇合適的充電方法不僅有利于提高蓄電池的充電效率，而且還可以延長其使用壽命。本系統(tǒng)中，當太陽能發(fā)電功率達到圖4中PMIN以上時，采用即恒流、恒壓和浮充三個階段的充電方法［4]。

1)恒流階段—充電電路的輸出等效于電流源。在充電過程中，通過檢測電路監(jiān)測蓄電池的開路端電壓，當蓄電池的端電壓超過轉換門限電壓后，充電電路切換到恒壓階段。本設計根據(jù)被蓄電池的參數(shù)特性，設定恒流與恒壓充電切換門限電壓設為12.5V，恒定充電電流為400mA。

2)恒壓階段—充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測蓄電池的充電電壓，當充電電壓超過轉換門限值時，認為蓄電池已充滿，充電電路切換到浮充階段。為保證充電質量，本設計恒壓充電分三次完成:第一次，以12.7V為目標進行恒壓充電;當達到后再以13V為目標充電;最后以13.3V為目標充電，當達到后自動切換到浮充階段。

3)浮充階段—充電電路為蓄電池提供一個浮充電壓，對蓄電池繼續(xù)以較小電流進行間歇充電。最高充電目標高為13.5V，以對蓄電池自放電進行彌補。

圖6為恒流充電子程序流程框圖。若蓄電池充電電流近似等于Iref，則不對占空比D進行調節(jié);而當IS＞Iref，則減小占空比D，反之則增大占空比D，使充電電流基本恒流充電狀態(tài)。

圖6 恒流充電子程序流程圖

4 實驗結果及分析

4.1 最大功率跟蹤控制充電控制實驗

實驗環(huán)境條件:天氣多云，時間下午15:20，溫度為15～200C，光照強度最大為42000Lux。光伏陣列發(fā)電功率不足。實驗時，分別使系統(tǒng)進入MPPT控制和不用MPPT控制兩種充電方式，測量所得的實驗數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 最大功率跟蹤實驗

實驗結果表明，在不帶MPPT控制充電電流很快減小。而加入MPPT控制之后，在16:00點之前，能達到400mA電流充電，且后面的充電電流明顯比不帶MPPT控制要大。

4.2 蓄電池充電實驗結果

實驗環(huán)境條件:天氣晴朗，溫度為18～250C，光照強度最大為74000Lux。蓄電池充電前的電壓為11.5V，光伏陣列輸出電壓為16.8-21.2V，輸出電流最大電流1.52A。由如圖8所示的實驗結果可見，所發(fā)出的電能可較好地滿足電池充電功率要求，最低可達13.5V。

圖8 蓄電池充電曲線

實驗結果表明，經(jīng)過近6個小時的充電，控制器較好地把蓄電池從11.5V充電到13.5V。在充電過程中測得的恒流階段充電的電流為400mA，達到12.5V后由恒流轉入恒壓階段。進入恒壓階段，此時蓄電池電壓約為12V。在該階段，為減小充電電流沖擊，恒壓充電分三個階段完成:即充電電壓逐漸從12V上升到12.7V和13V，直至充電到13.3V后，切換到浮充階段。實驗過程及數(shù)據(jù)說明，充電控制器能根據(jù)蓄電池的端電壓自動切換充電方式，實現(xiàn)了三階段充電的設計目標。

5 結語

本文所設計的帶MPPT的光伏充電控制器，能較好地根據(jù)光照強度能選擇充電方式。它在光照強度足夠的情形下，根據(jù)被充蓄電池的特點采用常用的三階段充電控制方法，完成對蓄電池的智能控制。而在光照強度不足的條件下，控制器能自動切換到MPPT控制狀態(tài)，并利用擾動觀察控制策略使光伏電池具有最大的功率輸出，使系統(tǒng)具有較高的發(fā)電和充電效率。

［1] 肖云來，常瑞浦等.全球可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J] .石家莊:產(chǎn)業(yè)論壇，2009

［2] 王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術［M] .北京:化學工業(yè)出版社，2005.9

［3] 李晶，竇偉等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤算法的研究［J] .北京:太陽能報，2007(3):268－273

［4] 黃原.蓄電池光伏充放電控制器的設計［J] ，武漢:武漢理工大學碩士學位論文，2009