基于MPPT技術(shù)的光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂　仁,郝潤科,張　艷

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上?！?00093)

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基于MPPT技術(shù)的光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

桂仁,郝潤科,張艷

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,上海200093)

摘要儲(chǔ)能設(shè)備充電系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其充電方法的選擇對充電效果起決定性作用。文中設(shè)計(jì)了一種以STM32為主要核心處理器的充電系統(tǒng),采用與MPPT算法相結(jié)合的新型智能充電方法對鋰電池進(jìn)行充電,此方法既可有效提高鋰電池充電效率,又可防止電池過充。同時(shí),具有過放電、過流、短路、溫度保護(hù)及溫度補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)功能。

關(guān)鍵詞MPPT;能量儲(chǔ)存;STM32;光伏發(fā)電系統(tǒng)

太陽能的高效利用是人類一直追尋的方向,光伏電池的光電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)和光伏控制器的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。光伏控制器的能量轉(zhuǎn)換效率包括兩個(gè)方面,即最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)效率和電能變換效率[1]。針對鋰電池的特點(diǎn),本文采用與MPPT算法結(jié)合的新型智能充電方法對鋰電池進(jìn)行充電,此方法既可有效地使實(shí)際充電曲線接近鋰電池的最佳充電曲線,提高鋰電池充電效率,又可防止電池過充。此外,該新型智能充電方法還具有過放電、過流、短路、溫度保護(hù)及溫度補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)功能。

1MPPT控制策略

目前常用的幾種MPPT算法,如恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等,從算法的復(fù)雜程度、對硬件的要求、最大功率點(diǎn)處的穩(wěn)態(tài)性能以及跟蹤速度等指標(biāo)分析,各有優(yōu)缺點(diǎn),而且這些算法不能同時(shí)兼顧以上指標(biāo)[2-4]?；谏鲜鲈?設(shè)計(jì)采用了一種智能型恒定電壓法結(jié)合變步長擾動(dòng)觀察法進(jìn)行MPPT 控制。以同步整流Buck電路的占空比D作為控制對象,通過調(diào)整占空比的變化量,調(diào)節(jié)Buck電路輸入和輸出之間的關(guān)系,最終實(shí)現(xiàn)MPPT。

以占空比D作為控制對象時(shí),選取跟蹤步長的大小是關(guān)鍵。若跟蹤步長選取不合理,就會(huì)造成無法同時(shí)兼顧MPPT的跟蹤精度和速度。若步長選取偏大,系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)光伏陣列輸出功率會(huì)上下振蕩明顯,且平均輸出功率也會(huì)比其最大輸出功率小;若步長選取偏小,響應(yīng)速度較慢,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)跟蹤的時(shí)間較長,并會(huì)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生較大的影響。因此,本文在步長設(shè)定時(shí)加入一個(gè)自動(dòng)變步長調(diào)整器μ來解決步長選取問題,此方法既可保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能,又可兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能?；谕秸鰾uck電路的占空比D作為控制對象的變步長擾動(dòng)觀察法的表達(dá)式如下

(1)

其中,μ(k)是占空比D的變化量,即調(diào)節(jié)步長;ω表示常量,其大小會(huì)影響步長調(diào)整的靈敏度;dp=P(k+1)-P(k)表示輸出功率的變化量。

2鋰電池充電方式

采用與MPPT結(jié)合的新型智能充電方法對鋰電池進(jìn)行充電,此方法既可有效地使實(shí)際充電曲線接近鋰電池的最佳充電曲線,提高鋰電池充電效率,又可避免過充電[5]。充電過程包括MPPT充電階段和恒壓充電階段。

第一階段:MPPT階段。該階段即大電流充電階段,針對太陽能電池的最大功率輸出特性,采用MPPT方式保證太陽能電池以最大的輸出功率對鋰電池進(jìn)行快速充電,以提高系統(tǒng)充電效率。MPPT大電流快速充電階段,電池容量迅速恢復(fù)到額定容量的80%～90%,電池電壓也在不斷上升,當(dāng)電池電壓上升到充電截止電壓時(shí),MPPT充電階段結(jié)束,立即轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。

第二階段:恒壓充電階段。在恒壓充電階段下,充電電壓恒定不變,充電電流隨著充電過程的進(jìn)行持續(xù)下降,當(dāng)充電電流下降到<0.02 cA時(shí),鋰電池充滿,停止充電。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏控制器以同步整流Buck電路作為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以STM32單片機(jī)作為控制核心;儲(chǔ)能設(shè)備可滿足12 V和24 V鋰電池的要求,充電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97%,光伏控制器的最大充電電流可達(dá)13 A,最大放電電流可達(dá)到10 A。系統(tǒng)將光伏陣列以及儲(chǔ)能設(shè)備的電壓、電流變化量即時(shí)經(jīng)過采樣電路處理送到單片機(jī),單片機(jī)根據(jù)釆樣電路得到的采集數(shù)據(jù)來執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的充放電控制策略,實(shí)現(xiàn)光伏電池的輸出特性與電池充電方式的合理配合,通過RS485通信將系統(tǒng)的相關(guān)信息及時(shí)傳輸給公共機(jī),以便實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

4系統(tǒng)硬件電路

4.1光伏控制器充電主電路

采用同步整流Buck電路作為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),通過控制開關(guān)管Q1、Q2導(dǎo)通或者關(guān)斷時(shí)間,控制從輸入端到輸出端的能量傳送,其電路如圖2所示。

圖2　同步整流Buck電路

4.2驅(qū)動(dòng)電路

選取美國IR公司的高壓、高速驅(qū)動(dòng)芯片IR2110來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路[6-7]。電路具有獨(dú)立的高端驅(qū)動(dòng)信號輸出端(HO)和低端驅(qū)動(dòng)信號輸出端(LO);高端懸浮電源采用自舉電路;開通、關(guān)斷分別為120 ns和94 ns;輸出端的功率器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓范圍為10～20 V。

4.3采樣電路的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性將直接影響系統(tǒng)的控制性能。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊主要分為兩部分:一部分是對電壓信號的采集,包括光伏陣列的輸出電壓以及電池的端電壓;另一部分是對電流部分的釆集,包括光伏陣列的輸出電流和電池的充電電流。

4.3.1電壓采樣電路

電壓采樣電路采用電阻分壓法進(jìn)行電壓采樣。由于單片機(jī)可接受的電壓范圍是0～3.3 V,所以采用電阻分壓法首先要將釆集的電壓值轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換允許的范圍內(nèi),然后再經(jīng)過RC濾波后送入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

由于兩個(gè)分壓電阻均為誤差為25 ppm的電阻,在實(shí)際采樣過程中會(huì)產(chǎn)生一定誤差。采用軟件校準(zhǔn)補(bǔ)償算法來提高電池電壓的采樣精度,PV端電壓采樣公式如下

(2)

其中,ADCBAT是電壓的ADC采樣值;ADCVREF是基準(zhǔn)電壓的ADC采樣值;k和b為誤差修正系數(shù)。將10V和30V兩個(gè)點(diǎn)的電壓相關(guān)參數(shù)代入式(2)中得到式(3)和式(4)。再將k和b值代入式(2)即可得到準(zhǔn)確的電壓值。

(3)

(4)

4.3.2電流采樣電路

電流采樣電路選用電阻檢測法來實(shí)現(xiàn)電流采樣,在控制電路中串聯(lián)電流采樣電阻,通過將采樣電阻得到的電流信號轉(zhuǎn)換為較低的電壓信號,然后使用運(yùn)算放大器對采集到電壓信號放大后送至單片機(jī)。4mΩ的電流采樣電阻和INA194差分放大器構(gòu)成完整的電流檢測電路。

為減小誤差而提高電流的采樣精度,進(jìn)行軟件算法補(bǔ)償,太陽能光伏陣列的輸出電流和電池充電電流計(jì)算公式為

(5)

其中,ADCI是電流的ADC采樣值;ADCVREF是基準(zhǔn)電壓的ADC采樣值;k和b為誤差修正系數(shù)。

根據(jù)INA194的特性曲線可知,當(dāng)電流<5A時(shí),采用曲線1,如下

(6)

其中,k1和b1由0.5A和2.5A兩個(gè)點(diǎn)和式(5)來確定。當(dāng)電流<5A時(shí),采用曲線1,如下

(7)

其中,k2和b2由5A和8A兩個(gè)點(diǎn)和式(5)來確定。

4.4通信接口電路的設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)和配置方便觀察和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)計(jì)了通信接口電路,其可實(shí)現(xiàn)控制器與公共機(jī)之間數(shù)據(jù)的交互,將控制器采集的數(shù)據(jù)傳送到公共機(jī),從而達(dá)到公共機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的目的。

5軟件設(shè)計(jì)

鋰電池充電過程包括MPPT充電階段和恒壓充電階段兩個(gè)階段。鋰電池12V系統(tǒng)軟件流程圖如圖3所示。

圖3　鋰電池充電程序軟件流程圖

6實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

6.1基于LabVIEW平臺的MPPT算法測試

本設(shè)計(jì)的MPPT算法是基于LabVIEW測試平臺對24 V太陽能光伏陣列系統(tǒng)進(jìn)行測試的,太陽光照是根據(jù)安捷倫的太陽能模擬器進(jìn)行模擬。

光照強(qiáng)度從100 W/m2變化到500 W/m2,在500 W/m2的光照強(qiáng)度下停留10 s,再從500 W/m2變化到100 W/m2,整個(gè)過程變化測試曲線如圖4所示,其中縱坐標(biāo)分別表示輸出電壓(V)、輸出電流(A)和輸出功率(W),橫坐標(biāo)表示采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)(50 ms采集一個(gè)點(diǎn))。光照強(qiáng)度變化時(shí)間間隔為1 s。從圖4中可以看出,雖然太陽光照強(qiáng)度一直在變化,但本設(shè)計(jì)MPPT算法仍可體現(xiàn)出對最大功率點(diǎn)跟蹤速度快和在最大功率點(diǎn)處穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

6.2電池充電過程測試

鋰電池充電過程包括MPPT充電和恒壓充電兩個(gè)階段。測試結(jié)果是基于24 V鋰電池系統(tǒng)的完整充電過程,其充電過程擬合曲線如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)滿足充電條件以后,進(jìn)入MPPT充電階段,當(dāng)電池電壓升高到充電截止電壓29.2 V時(shí),MPPT快速充電階段結(jié)束,立即轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。在恒壓充電階段下,充電電壓保持29.2 V恒定不變,充電電流隨著充電過程的進(jìn)行持續(xù)減小,當(dāng)充電電流下降到小于0.02 cA時(shí),鋰電池已經(jīng)充滿,立即停止充電。由圖5中的擬合曲線可看出,設(shè)計(jì)達(dá)到了鋰電池的充電要求。

圖4　光照強(qiáng)度不斷變化的動(dòng)態(tài)測試曲線

圖5　鋰電池充電過程

7結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的光伏充電系統(tǒng)是以同步整流Buck電路作為主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和STM32單片機(jī)作為控制核心,采用與MPPT算法相結(jié)合的新型智能充電方法對鋰電池進(jìn)行充電,此方法既可有效地提高鋰電池充電效率,又可防止電池過充。同時(shí),具有過放電、過流、短路、溫度保護(hù)及溫度補(bǔ)償?shù)缺Ｗo(hù)功能,是一種比較理想的光伏充電系統(tǒng)。

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Design of Pv Charging System Based on MPPT

GUI Ren,HAO Runke,ZHANG Yan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractEnergy storage device charging system is an important part of the photovoltaic power generation system,in which the selection of charging method plays a decisive role.This paper introduces a charging system based on taking STM32 as the main core processor,adopting a new type of intelligent charging method combined with MPPT algorithm to charge the device of energy storage.This method can effectively improve the charging efficiency of lithium batteries while preventing the battery overcharging with such functions as over-discharging,over-current,short-circuit and temperature protection and temperature compensation.

KeywordsMPPT;energy storage;STM32;photovoltaic power generation system

中圖分類號TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號1007-7820(2016)04-016-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.005

作者簡介:桂仁(1990—),男,碩士研究生。研究方向:電力電子與電力傳動(dòng)。

收稿日期:2015- 08- 31