一種具有MPPT系統(tǒng)的光伏三階段充放電控制器的研究

陳建偉

（許繼變壓器有限公司，河南 許昌 461000）

對(duì)于一些孤島、偏遠(yuǎn)的山區(qū)或移動(dòng)發(fā)射基站，其能量的供應(yīng)不能夠從電網(wǎng)獲得，因此需要配備專門充電供電電源，供生活或移動(dòng)基站的正常工作所用。由于分布式發(fā)電特別是光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展給這些地區(qū)帶來(lái)方便。光伏發(fā)電可以做大功率的并網(wǎng)發(fā)電，同時(shí)也可以單獨(dú)構(gòu)成獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成如圖1所示。蓄電池可以通過(guò)充放電控制直接連接直流負(fù)載或者對(duì)蓄電池進(jìn)行充電后再經(jīng)過(guò)逆變器對(duì)交流負(fù)載供電。從圖1可以看出無(wú)論是通過(guò)控制器的直流供電系統(tǒng)還是通過(guò)蓄電池并聯(lián)后經(jīng)逆變器構(gòu)成的交流供電系統(tǒng)，充放電控制器和蓄電池都是的光伏供電系統(tǒng)重要組成部分。充放電控制器主要實(shí)現(xiàn)把蓄電池不穩(wěn)定的直流電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，同時(shí)完成對(duì)光伏電池對(duì)蓄電池進(jìn)行充電時(shí)的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。因此光伏充放電控制器在整個(gè)獨(dú)立供電系統(tǒng)起到至關(guān)重要的作用。其性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性以及效率。設(shè)計(jì)出性能良好的控制器是整個(gè)供電系統(tǒng)成功的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

圖1 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)基本構(gòu)成框圖

1 充放電控制器的主電路及工作原理

在蓄電池充放電控制器采用的主電路類型主要有 Buck型、Boost型以及 CUK型變換電路.Buck電路主要實(shí)現(xiàn)降壓變換，Boost電路主要實(shí)現(xiàn)升壓變換而CUK變換器主要實(shí)現(xiàn)升降壓變化。根據(jù)光伏電池以及蓄電池特性選擇主題為Buck電路較為合適。圖2為采用Buck電路構(gòu)成的蓄電池充放電控制器的主電路圖。其中 PV1代表光伏電池板，D4為功率二極管或?qū)ｉT制作的匯流箱，可以用來(lái)保證蓄電池不能反向?qū)夥姵匕宸烹?，電感L以及電容C為輸出濾波器件，V3為放電或負(fù)載開關(guān)，V2為同步整流管。從圖2可以看出光伏電池發(fā)出的能量經(jīng)過(guò)Buck變換器后一方面直接對(duì)蓄電池進(jìn)行充電把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，同時(shí)還可以對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。在夜晚或陽(yáng)光不是很充足的情況下，蓄電池還可以通過(guò)開關(guān)器件V3對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。

圖2 充放電控制器的主電路圖

2 電控制器最大功率實(shí)現(xiàn)方法及控制策略

光伏控制器關(guān)鍵技術(shù)是在實(shí)現(xiàn)三階段充電控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。通過(guò)檢測(cè)充電電流以及蓄電池端電壓實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池工作電壓的調(diào)整，從而達(dá)到對(duì)最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤的目的。蓄電池充電階段分為全沖、恒壓以及浮充，在充電的第一階段其端電壓一直上升，在第二階段蓄電池電壓端電壓保持不變，并且在第一、第二階段充電電流始終要大于1%的蓄電池容量。第三階段，蓄電池充電電流很小，但其端電壓在充電過(guò)程中會(huì)有所下降。根據(jù)充電特征繪制其充電控制系統(tǒng)的流程圖如圖3所示。從流程圖可以看出在充電的三階段過(guò)程中只對(duì)第一階段進(jìn)行最大功率進(jìn)行跟蹤，其余階段不進(jìn)行跟蹤。同時(shí)蓄電池在充電過(guò)程中，當(dāng)溫度過(guò)高會(huì)出現(xiàn)蓄電池不能充滿或溫度過(guò)低時(shí)會(huì)出現(xiàn)蓄電池過(guò)沖現(xiàn)象。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，在充電過(guò)程的第二、第三階段必須對(duì)蓄電池的充電電壓進(jìn)行補(bǔ)償。在實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)溫度高于25℃時(shí)降低充電電壓；當(dāng)蓄電池溫度低于25℃時(shí)提高充電電壓。

圖3 帶有MPPT的三階段充電控制流程圖

3 控制器的主電路參數(shù)計(jì)算及器件的選擇

控制器實(shí)現(xiàn)的是對(duì)48V/60A的蓄電池組進(jìn)行充放電控制，光伏組件選擇單塊電池板的開路電壓為21.5V，單塊電池板的短路電流為5.1A.考慮光伏系統(tǒng)的配置性價(jià)比以及發(fā)電效率，選擇光伏組件4組串聯(lián)的光伏電池板串聯(lián)后，再14組并聯(lián)使用，可以滿足要求。為了設(shè)計(jì)和選型的方面，功率管 V1、V2、V3選擇相同的功率 MOSFET。功率管上所承受的穩(wěn)態(tài)電壓最大值大約為 90V，流過(guò)開關(guān)管中的電流最大值為 60A左右，因此選擇型號(hào)為SUB85N104的功率管并聯(lián)，完全滿足要求。為了保證在充電第一階段實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤時(shí)電流的波動(dòng)較小，一般選擇工作電流的10%，功率管的頻率設(shè)計(jì)為 60kHz，Buck最佳的占空比為 0.6，同時(shí)導(dǎo)通時(shí)不考慮V2上的壓降，計(jì)算出：

可選擇150μH濾波電感即可滿足要求。電容器C主要用來(lái)濾掉高頻信號(hào)，可以選擇300V/1μF的無(wú)極性電容器即可滿足要求。

4 續(xù)流二極管的同步整流

由于充電控制器的額定電流可以達(dá)到 60A，如采用普通的電力二極管作為Buck的續(xù)流二極管。電力二極管自身的管壓降較大，一般為0.7V左右，當(dāng)使用電力二極管整流時(shí)，二極管上的損耗為

P=UI=0.7× 60 =42W

而使用同步整流時(shí)，采用4個(gè)完全一樣的功率管并聯(lián)使用時(shí)，功率管導(dǎo)通電阻為 0.0085Ω，當(dāng)通過(guò)額定電流時(shí)，功率管上的損耗為

P=I2R= 602× 0.0085/4=7.65W

可見(jiàn)，采用同步整流技術(shù)能夠大大降低整流器件上功率損耗，特別當(dāng)需要整流的電流較大時(shí)，使用同步整流技術(shù)對(duì)提高整個(gè)控制器的效率非常明顯。

5 仿真結(jié)果以及結(jié)論

一般1個(gè)光伏電池板在光照1000W/m2，環(huán)境溫度T=25℃時(shí)，其開路電壓為22V，其最大功率點(diǎn)的電壓16V左右，其短路電流5.6A，最大功率點(diǎn)電流為5.2A，為了能夠?qū)?8V60A的蓄電池進(jìn)行充電，采用5個(gè)電池板進(jìn)行串聯(lián)為1組，為了滿足充電電流的要求，再把這樣16組串聯(lián)的光伏電池板并聯(lián)連接在一起。針對(duì)這種光伏充電器的工作環(huán)境，在Matlab/Simulink環(huán)境下，建立充電模型。

圖4為進(jìn)行最大功率跟蹤的仿真波形，圖5為蓄電池充電時(shí) Buck電路驅(qū)動(dòng)電壓以及充電電流波形。從圖 4可以看出對(duì)于光伏電池的最大功率的跟蹤速度以及跟蹤效率均可滿足要求，圖5為蓄電池在第一階段的充電電壓以及Buck變換器中開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓波形以及電感中的電流波形，仿真波形與理論分析完全一致?？梢?jiàn)所采取的充電控制措施器件的參數(shù)選擇是完全正確的。

圖4 光伏電池組最大功率跟蹤曲線

圖5 蓄電池充電電壓、電感電流及驅(qū)動(dòng)電壓波形

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