基于雙Buck電路的光伏充電控制器研究

余小冬　邢琦　趙佳鶴　時(shí)素銘

摘 要：針對(duì)小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中電路損耗較高和容易發(fā)熱的問題，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的DC-DC電路的能量損失原因，結(jié)合改進(jìn)型最大功率點(diǎn)（MPPT）跟蹤算法，設(shè)計(jì)了以雙Buck電路為充電電路的小型光伏充電控制器。研究結(jié)果表明，該光伏充電控制器減少了電路損耗，提高了轉(zhuǎn)換效率，能穩(wěn)定快速的追蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，達(dá)到了優(yōu)化小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的。

關(guān)鍵詞：離網(wǎng)；光伏；最大功率點(diǎn)；Buck

離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)指的是不與市網(wǎng)相連、通過光伏電池板給蓄電池充電并給用電設(shè)備供電的獨(dú)立用電系統(tǒng)。光伏電池的輸出功率與輸出電壓之間呈非線性，在一定的環(huán)境下有且只有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)。在從光伏電池板上提取能量的過程中，一方面需要追蹤光伏電池板的最大功率點(diǎn)，盡可能多的獲取能量，另一方面需要減少充電電路功率損耗，盡可能的把光伏電池板的能量輸送到蓄電池或用電設(shè)備中。常用的光伏輸出最大功率點(diǎn)跟蹤算法（Most Power Point Tracking，MPPT）有恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等，常用的DC-DC充電電路有Buck、Boost、Buck-Boost等。

1 DC-DC電路分析

光伏充電系統(tǒng)中常用的Buck、Boost、Buck-Boost電路均屬于非隔離型DC-DC電路，最初被使用在開關(guān)電源電路研究中，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、使用非損耗性元器件（電容、電感）、轉(zhuǎn)換效率高、所占體積小等優(yōu)點(diǎn)而被逐漸推廣到眾多應(yīng)用電路領(lǐng)域中。但非隔離行DC-DC電路并不是完美無(wú)缺，其仍存在理論上的能量損耗。

分析電路原理可知，無(wú)論是Buck、Boost還是Buck-Boost電路，均在電路中使用了二極管（常為快速恢復(fù)二極管，在Boost電路中作為開關(guān)二極管，在Buck和Buck-Boost電路中作為續(xù)流二極管），這些二極管雖然作用不同，但最終流經(jīng)負(fù)載的部分電流均從二極管中通過，常用的快速恢復(fù)二極管導(dǎo)通電壓為0.7伏，當(dāng)這些電路用在光伏充電控制器中時(shí)，流過的電流動(dòng)則兩三安培，如此便會(huì)帶來(lái)1-2瓦的損耗，這對(duì)于離網(wǎng)型小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)而言是不可忽略的損失，因?yàn)橛泄β蕮p耗，自然也會(huì)帶來(lái)發(fā)熱等系列問題。

2 光伏充電系統(tǒng)

2.1 基于雙Buck電路的光伏充電控制器

為降低光伏充電系統(tǒng)中常用的DC-DC電路的功率損耗，設(shè)計(jì)了基于雙Buck電路的光伏充電控制器，其原理圖如下：

該電路以N溝道MOSFET代替DC-DC電路中Buck電路的續(xù)流二極管來(lái)為電路進(jìn)行續(xù)流，MOSFET導(dǎo)通時(shí)具有毫歐級(jí)的導(dǎo)通電阻，對(duì)于光伏充電系統(tǒng)中個(gè)位數(shù)的安培電流級(jí)別而言，其導(dǎo)通壓降和功耗均可忽略，如此便達(dá)到了降低硬件電路功耗的目的。另一方面，雙Buck電路進(jìn)行交替工作避免了單一電路持續(xù)工作而產(chǎn)生的發(fā)熱熱量累積問題，等效于雙Buck電路分擔(dān)單一Buck工作時(shí)的發(fā)熱量，降低了電路系統(tǒng)損壞的可能性。再者，在單端電路發(fā)生意外而不能工作時(shí)，另一部分電路仍可正?？刂坪统潆?，在安全意義上整個(gè)充電電路系統(tǒng)完成了冗余，提高了可靠性和可用性。

相對(duì)于常見的DC-DC電路而言，該電路在提高轉(zhuǎn)換效率和保證可靠性等方面均得到了提高。但由于使用MOSFET替代二極管進(jìn)行續(xù)流，電路在控制方面則加大了難度。MOSFET需要PWM驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其進(jìn)行開關(guān)控制，而在該電路中，續(xù)流的低位MOSFET的開關(guān)控制需要格外的精確，一則若高位開關(guān)MOSFET未完全關(guān)閉而低位MOSFET已經(jīng)導(dǎo)通，則會(huì)造成光伏電池輸出短路，容易發(fā)生意外，二則若低位續(xù)流MOSFET持續(xù)開通時(shí)間過長(zhǎng)而超過了電感需要的續(xù)流時(shí)間，則會(huì)導(dǎo)致蓄電池中的電能反向放出，造成不充電反放電的效果。為解決這兩個(gè)問題，在使用STM32控制芯片輸出PWM驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，需在同一電路的高位開關(guān)MOSFET和低位續(xù)流MOSFET的波形之間加入適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)，避免出現(xiàn)兩MOSFET同時(shí)開通的狀況。另一方面，需在仿真模型中多次測(cè)量不同電流條件下電感所需的續(xù)流時(shí)間，做好低位續(xù)流MOSFET的開通時(shí)間控制。

2.2 改進(jìn)型最大功率點(diǎn)跟蹤算法

光伏電池的輸出功率受光照、溫度等環(huán)境因數(shù)的影響會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，在某一固定環(huán)境下有且只有一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)，因此需要最大功率點(diǎn)追蹤算法來(lái)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下持續(xù)追蹤最大輸出功率。常用的算法包括恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等。恒定電壓法即通過經(jīng)驗(yàn)使控制電路將光伏電池的輸出控制為某一常見的最大功率點(diǎn)電壓，此方法簡(jiǎn)單易操作，但當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)則無(wú)法有效的保證最大功率輸出。電導(dǎo)增量法雖追蹤理論值精確，但在電路中實(shí)現(xiàn)難度較大，應(yīng)用較少。擾動(dòng)觀察法易于實(shí)現(xiàn)且追蹤精確，但當(dāng)追蹤到最大功率點(diǎn)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的左右擺動(dòng)，影響功率的輸出。

該電路采用改進(jìn)型最大功率點(diǎn)跟蹤算法，以擾動(dòng)觀察法為基礎(chǔ)增加第三觀察點(diǎn)作為參考。當(dāng)?shù)诙^察點(diǎn)與第一觀察點(diǎn)、第三觀察點(diǎn)與第二觀察點(diǎn)之間的功率差均為正時(shí)，則判斷擾動(dòng)方向正確，繼續(xù)增大擾動(dòng)。當(dāng)功率差分別為正、負(fù)時(shí)，則判斷已經(jīng)通過最大功率點(diǎn)，以第二觀察點(diǎn)為中心縮小擾動(dòng)步徑繼續(xù)追蹤。在此算法下追蹤最大功率點(diǎn)需保證第二觀察點(diǎn)和第三觀察點(diǎn)的擾動(dòng)均在同一方向上，若擾動(dòng)方向相反則不做第三觀察點(diǎn)參考。該算法可既保證了最大功率點(diǎn)的追蹤效率又避免了常規(guī)擾動(dòng)觀察法在最大功率點(diǎn)附近的持續(xù)擺動(dòng)，提高了算法的穩(wěn)定性和有效性。

3 結(jié)束語(yǔ)

該研究設(shè)計(jì)的光伏充電控制器利用N溝道MOSFET代替常規(guī)Buck電路中的續(xù)流二極管以降低續(xù)流過程的功率損耗。雙Buck電路交替工作分擔(dān)了單一Buck電路中發(fā)熱熱量，提高了穩(wěn)定性，雙電路冗余增加了系統(tǒng)的可靠性和可用性，再結(jié)合改進(jìn)型MPPT跟蹤算法用于光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。經(jīng)研究表明，該光伏充電控制器減少了電路損耗，能穩(wěn)定追蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，達(dá)到了優(yōu)化小型離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的。

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