三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck的光伏充電控制器*

杜旭冉，鮑建宇

(1.太原科技大學(xué)，太原 030024；2.浙江大學(xué))

* 基金項(xiàng)目：寧波市工業(yè)擇優(yōu)委項(xiàng)目(2011B1002)。

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杜旭冉1，鮑建宇2

(1.太原科技大學(xué)，太原 030024；2.浙江大學(xué))

* 基金項(xiàng)目：寧波市工業(yè)擇優(yōu)委項(xiàng)目(2011B1002)。

摘要:針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能電池利率低、蓄電池常因充電不當(dāng)而損壞的問(wèn)題，分析了光伏電池的輸出特性和蓄電池的充電特性。設(shè)計(jì)了一個(gè)具有最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的光伏充電控制器系統(tǒng)，并搭建了硬件平臺(tái)。該系統(tǒng)以dsPIC33F16GS502為主控MCU，采用三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck電路為充電主電路。軟件編程采用4階段充電策略對(duì)蓄電池進(jìn)行充電控制，實(shí)現(xiàn)了蓄電池在MPPT、恒流、恒壓不同充電方式之間的智能切換。其中恒流恒壓充電階段采用了PI算法，快充階段使用了基于改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法相結(jié)合的算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最大功率點(diǎn)跟蹤能快速跟蹤外界環(huán)境的變化，并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，提高了光伏電池的使用效率，保護(hù)了蓄電池，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

關(guān)鍵詞:光伏發(fā)電；MPPT；三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck；dsPIC33FJ16GS502

引言

隨著當(dāng)今世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生資源受到越來(lái)越廣泛的重視，但是太陽(yáng)能電池陣列由于受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、負(fù)載的影響，輸出電壓和電流不斷變化。為了充分利用太陽(yáng)能，最大程度地提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，必須采取措施對(duì)光伏電池的輸出功率加以控制，保證工作在最大功率點(diǎn)。

目前常用的最大功率跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制方法主要有恒壓法、擾動(dòng)觀察法[1]、電導(dǎo)增量法[2]、模糊邏輯控制法[3]等。本文在分析傳統(tǒng)MPPT算法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法相結(jié)合的新型的MPPT算法。研究了高效率三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck整流技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽(yáng)能智能充電控制器系統(tǒng)，不斷采集光伏電池電壓、電流、蓄電池端電壓、電流。根據(jù)蓄電池端電壓的高低按涓充、快充、過(guò)充和浮充4階段進(jìn)行充電控制，以實(shí)現(xiàn)蓄電池在不同充電方式之間的智能切換和能量管理。研究結(jié)果表明，該控制器在充分利用太陽(yáng)能的同時(shí)兼顧了蓄電池本身的充電特性，具有較高的工作效率。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介及工作原理

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的直接發(fā)電方式。太陽(yáng)能充電控制器系統(tǒng)主要包括太陽(yáng)能電池板、DC-DC變換器、蓄電池、dsPIC33FJ16GS502控制電路、驅(qū)動(dòng)電路以及采樣電路等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)運(yùn)行原理如下：在太陽(yáng)光的照射下,太陽(yáng)能電池利用光生伏打效應(yīng)產(chǎn)生電能。dsPIC33FJ16GS502控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心,通過(guò)采樣電路采集光伏電壓Upv、光伏電流Ipv、蓄電池電壓Ubat、蓄電池充電電流Ibat,以此判斷蓄電池所處的充電狀態(tài),根據(jù)不同的充電狀態(tài)，采用相應(yīng)的充電算法控制PWM波的占空比，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)同步BUCK電路功率管的占空比，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。

1.1三相交錯(cuò)并聯(lián)同步整流Buck變換器

DC-DC變換器采用的是三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck拓?fù)洹?三相交錯(cuò)并聯(lián)是指三相Buck電路并聯(lián)且相互交錯(cuò)工作，工作時(shí)每路同頻率不同相位，各相兩兩相差120°，開(kāi)關(guān)管交替工作，降低了器件功率損耗。當(dāng)電源裝置的輸出功率較大時(shí)，采用多個(gè)變換器并聯(lián)，交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)很大程度上減小了流過(guò)每一個(gè)導(dǎo)通電路中的電流，降低了開(kāi)關(guān)的損耗和輸出總電流紋波。電感和電容參數(shù)取值相應(yīng)的減小使得電路體積變小、重量減輕、功率密度則變大。在電壓低、負(fù)載電流很大的情況下，同步Buck變換器的整流效率要比異步Buck變換器的整流效率來(lái)高，因?yàn)榇藭r(shí)電流比較大。導(dǎo)通功耗起主要的作用，續(xù)流二極管的損耗相對(duì)較大，本文采用導(dǎo)通電阻較小的MOSFET來(lái)代替二極管采用同步整流技術(shù)，以防止開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通或者中間留有一定的死區(qū)。

1.2光伏電池輸出特性

100W光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下的典型輸出特性曲線如圖2所示。光伏電池既非恒壓源又非恒流源，其P/U曲線是一個(gè)單峰值曲線，輸出功率隨輸出電壓的變化而變化，中間存在一個(gè)最大值點(diǎn)，即最大功率點(diǎn)(MPP)。

圖2　太陽(yáng)能特性曲線

2硬件設(shè)計(jì)

2.1主電路設(shè)計(jì)

主電路采用三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck電路拓?fù)?如圖3所示。

圖3　主電路原理圖

圖3為主電路原理圖，圖中Q1、Q2、L1組成一路Buck電路，同理Q3、Q4、L2為第二路單獨(dú)的Buck電路，第三路Buck由Q5、Q6、L3組成。3路同步Buck采用并聯(lián)的方式接入電路，用于實(shí)現(xiàn)電路降壓目的，其中L1、L2、L3為150 μH,功率管采用IRFB4321，開(kāi)關(guān)頻率為100 kHz。輸入電容C1=330 μF,有兩個(gè)作用：一是使太陽(yáng)能電池輸出電流保持連續(xù)，二是在恒流充電時(shí)為電感提供紋波能量。輸出電容C2=470 μF,主要作用是恒流充電時(shí)，吸收電感電流紋波。

2.2控制電路設(shè)計(jì)

控制電路主要由dsPIC33FJ16GS502的最小系統(tǒng)組成，包括復(fù)位電路、晶振電路、供電電源電路、下載調(diào)試電路，及相應(yīng)的信號(hào)輸出/輸入接口。

為了使dsPIC33FJ16GS502最小系統(tǒng)正常工作，采用3.3 V供電方式，由LM5022構(gòu)成的升壓降壓電路可以將輸入電壓轉(zhuǎn)換為12 V輸出，然后由LM2734Y轉(zhuǎn)換為5 V,ASM1117把5 V最終轉(zhuǎn)換為3.3 V給單片機(jī)供電。

下載調(diào)試電路采用微芯公司集成仿真器ICD3,ICSP是單片機(jī)的在線串行編程接口，通過(guò)接單片機(jī)引腳PGEC和PGED引腳實(shí)現(xiàn)?？刂破麟娐房傮w硬件框圖如圖4所示。

圖4　控制器總體硬件框圖

2.3驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5為MOS管的專(zhuān)用芯片驅(qū)動(dòng)，由二極管電容和IR2181推挽式驅(qū)動(dòng)器組成，每一組MOS管需要一組同樣的驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，圖5中僅為單路Buck電路的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器。IR2181推挽式驅(qū)動(dòng)器具有電壓高、放大率高的MOS場(chǎng)效應(yīng)管和帶有獨(dú)立的推挽放大器，工作方式為自舉，門(mén)驅(qū)動(dòng)器的供電范圍為10～20 V。圖中HO口向MOS管發(fā)送高電平，LO口向MOS管發(fā)送低電平，形成互補(bǔ)。

圖5　驅(qū)動(dòng)電路圖

3軟件設(shè)計(jì)

圖6　主程序流程圖

軟件設(shè)計(jì)包括采樣處理、控制算法、蓄電池充電管理和PWM驅(qū)動(dòng)輸出。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示。

3.1主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后首先關(guān)閉看門(mén)狗，初始化程序完成PLL、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM以及其他中斷的初始化，判斷充電條件，然后通過(guò)定時(shí)中斷、采樣中斷及各個(gè)功能實(shí)現(xiàn)子程序完成系統(tǒng)的MPPT、蓄電池充電管理等。

3.2充電控制策略

好的充電策略是提高系統(tǒng)效率和可靠性的有效手段，本文采用了4階段充電法。

階段1：蓄電池電壓 UBAT小于 11 V。此時(shí)，蓄電池已深度放電，為延長(zhǎng)蓄電使用的池使用壽命，采用MPPT和恒流相結(jié)合的充電方式對(duì)蓄電池充電。如果光照不夠強(qiáng)，充電電流很有可能小于0.5 A，采用 MPPT 方式充電，而如果光照足夠強(qiáng)，則采用恒定電流控制，使充電電流恒定為0.5 A。

階段2：蓄電池電壓UBAT大于 11 V 但小于 14.5 V。在這個(gè)階段，采用 MPPT 方式對(duì)蓄電池充電，充電電流較大且不斷變化，是蓄電池的主充電階段。

階段3：恒壓限流充電。該階段充電值恒為14.5 V,隨著蓄電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，充電電流逐漸減小，當(dāng)充電電流下降到約0.01 C時(shí)，終止恒壓充電，進(jìn)入浮充階段。

階段4：浮充電。以一個(gè)略小于恒壓充電的電壓對(duì)蓄電池充電，此階段主要用來(lái)補(bǔ)充蓄電池自放電所消耗的損失，標(biāo)志著充電過(guò)程的結(jié)束。

上面使用的 11 V 和 14.5 V 是典型 12 V 鉛酸蓄電池的特性參數(shù)，基于它們可以定義各個(gè)充電階段的臨界值。充電流程圖如圖7所示。

圖7　改進(jìn)的四階段充電流程圖

3.3MPPT算法設(shè)計(jì)

常用的MPPT算法中,使用較多的是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。本文采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法相結(jié)合的方式，太陽(yáng)能電池的短路電流和外界光強(qiáng)之間近似的成比例關(guān)系，光強(qiáng)越強(qiáng)短路電流越大，反之越小。因此通過(guò)判斷工作點(diǎn)的電流就可以判斷出當(dāng)時(shí)的光強(qiáng)強(qiáng)度。通過(guò)這種方法可以根據(jù)光強(qiáng)的強(qiáng)弱來(lái)采用不同的控制策略,當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)候采用增量電導(dǎo)法,當(dāng)光強(qiáng)較弱時(shí)候采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察算法[4]。

改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法如下：當(dāng)光伏電池的輸出功率變化量較大時(shí)，選取較大的擾動(dòng)量，有利于快速跟蹤到算法的MPPT點(diǎn)附近，此時(shí)功率的變化量較小，再利用小擾動(dòng)量保證算法的精度，減小能量損耗。具體措施為：對(duì)每次擾動(dòng)后的輸出功率變化量進(jìn)行判斷，如果功率變化量大于某規(guī)定的值，則采用大步長(zhǎng)擾動(dòng)，否則采用小步長(zhǎng)擾動(dòng)，定義該值為算法的閾值Pth。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1系統(tǒng)硬件平臺(tái)實(shí)物圖

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要包括MPPT太陽(yáng)能控制器、太陽(yáng)能電池板、鉛酸蓄電池以及其他調(diào)試設(shè)備，如圖8所示。

圖8　系統(tǒng)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

光伏電池的額定功率為100 W,開(kāi)路電壓22.12 V，短路電流為5.6 A,待充的蓄電池為12 V鉛酸蓄電池，三相同步整流BUCK為電流連續(xù)工作模式(CCM)。

4.2蓄電池充電整個(gè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)曲線圖

圖9為12 V蓄電池充電過(guò)程中電壓U和電流I的變化曲線。充電初期使用MPPT和恒流相結(jié)合的充電方式，當(dāng)蓄電池電壓升高到10.9 V后，用最大功率對(duì)蓄電池充電，直到蓄電池電壓為14.4 V時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，充電電流逐漸減小，當(dāng)為0.1 A時(shí)轉(zhuǎn)為浮充，浮充電壓為13.8 V。由圖9可知，該光伏充電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的4階段充電。

圖9　蓄電池充電曲線

4.3轉(zhuǎn)換效率

系統(tǒng)工作于MPPT階段時(shí)的電壓電流效率數(shù)據(jù)如表1所列。

表1　MPPT充電階段的轉(zhuǎn)換效率

從表1中可以看出，5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較接近，三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck充電器的平均效率可達(dá)97.29%。

結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于三相交錯(cuò)并聯(lián)同步Buck的太陽(yáng)能充電控制方案的可行性。該方案在充分利用太陽(yáng)能電池的同時(shí)，滿足了蓄電池的充電特性，實(shí)現(xiàn)了4種充電方式之間的全自動(dòng)智能切換和能量管理。在充電過(guò)程中融入了基于改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法的MPPT算法，能快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，取得了良好的效果，同時(shí)保護(hù)了蓄電池，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

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杜旭冉(碩士研究生)，主要研究方向?yàn)榍度胧娇刂葡到y(tǒng)及應(yīng)用；鮑建宇(博士)，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

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Du Xuran1,Bao Jianyu2

(1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2.Zhejiang University)

Abstract：Aiming at the problems of under utilization of photovoltaic panels and damage of batteries caused by misuse in photovoltaic power generation system,a photovoltaic charging controller with maximum power point tracking is designed after analyzing the photovoltaic panel output characteristics and charging characteristics.The system takes the dsPIC33F16GS502 as the core,and adopts three-phase interleaved synchronous Buck circuit as its main charging circuit.The four-stage charging method is used to control the battery charging,and the intelligent switch between MPPT,constant current and constant voltage is achieved using the software program.The experimental results indicate that the system can track the maximum power point quickly,the efficiency of PV array can be improved,the life span of the battery can be prolonged.

Key words:photovoltaic charging;MPPT;three-phase interleaved synchronous Buck;dsPIC33FJ16GS502

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-07-01)

中圖分類(lèi)號(hào):TP17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A