基于有限電流誤差控制的太陽能充電器

劉志斌(國網(wǎng)晉城供電公司，山西晉城048000)

基于有限電流誤差控制的太陽能充電器

劉志斌
(國網(wǎng)晉城供電公司，山西晉城048000)

對用于最大功率跟蹤的充電器進(jìn)行建模分析,選用buck電流變換器作為太陽能充電器的主電路給蓄電池充電，根據(jù)狀態(tài)空間平均的概念建立充電器的動態(tài)模型，通過應(yīng)用極限環(huán)最大功率跟蹤(limit cycle max power trace，LCMPPT)方法對太陽能的最大功率點(diǎn)進(jìn)行電流閉環(huán)跟蹤。該方法以電流閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡單，所需要的外圍電路少。應(yīng)用PI調(diào)節(jié)使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)精度和響應(yīng)速度，并簡化了系統(tǒng)的外圍電路及控制方法。以PIC16F877A為控制器的實(shí)際電路的測試，證明了LCMPPT的有效性。

太陽能；動態(tài)模型；LCMPPT；充電

在化石能源短缺的今日，選擇太陽能作為替代能源是解決能源危機(jī)的有效途徑之一。由于受到太陽能輸出功率特性的影響，現(xiàn)有的太陽能應(yīng)用系統(tǒng)效率低下、成本較高。為了提升整體系統(tǒng)的效率，必須跟蹤太陽能的最大功率點(diǎn)(MPP)，常規(guī)的方法都是在擾動觀察法基礎(chǔ)上改良而來，這些方法就理論推導(dǎo)是完美的，但是當(dāng)傳感器無法達(dá)到精密的測量時(shí)，其誤差是不可避免的，有時(shí)可能產(chǎn)生錯(cuò)誤跟蹤[1]。本文對用于最大功率跟蹤的充電器進(jìn)行建模分析，通過合理的設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，提高了系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)速度及穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用極限環(huán)最大功率跟蹤(limit cycle max power trace，LCMPPT)方法達(dá)到對太陽能最大功率點(diǎn)的跟蹤。

圖1　太陽能充電器控制原理

圖2　功率跟蹤工作原理

1 太陽能充電器的主電路及控制原理

如圖1所示，本系統(tǒng)由太陽電池組、buck電路、電流傳感器、鉛酸蓄電池、控制器組成，整個(gè)系統(tǒng)只用了一個(gè)電流傳感器，簡化了外圍電路，并且控制方法簡單。通過最大電流誤差的控制實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的最大功率進(jìn)行跟蹤，控制器工作原理如圖2所示。當(dāng)充電器開始工作時(shí)MUX的輸入端接+Tiu，Iref開始慢慢增加，當(dāng)太陽電池組輸出功率Ps小于其實(shí)際最大功率時(shí)，Ibat也隨著Iref開始增加，并且在一個(gè)PI控制周期中可以保持不變。但是由于太陽電池組的最大功率點(diǎn)不穩(wěn)定，當(dāng)其輸出功率達(dá)到最大時(shí)，Ibat不能保持其最大值并且開始減小，而Iref繼續(xù)增加，很快ΔIe的值大于ΔIlimit，此時(shí)MUX接入－Tid端，Iref開始減小，而Ibat逐漸停止減小然后又開始上升，直至達(dá)到新的最大功率點(diǎn)。因此整個(gè)系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)附近并且在一個(gè)可控的誤差范圍內(nèi)，這種功率跟蹤的方法就是LCMPPT[2]。

圖3　太陽能充電器閉環(huán)系統(tǒng)控制模型

2 buck充電器的建模分析及參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1控制器建模

在本文中buck電路主要作為電流變換的控制器，根據(jù)圖1中開關(guān)器件S1導(dǎo)通、關(guān)斷的電路分析，可得如下的狀態(tài)方程式：

由狀態(tài)空間平均法，結(jié)合式(1)與式(2)，可得：

式中：D為開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的占空比；D'為開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的占空比。

考慮電路在操作點(diǎn)附近有擾動現(xiàn)象發(fā)生，則：

將瞬時(shí)值帶入式(3)得：

從而可得充電器的小信號方程：

由于蓄電池本身是一個(gè)電壓源，buck電路輸出電壓在一個(gè)PI調(diào)節(jié)周期內(nèi)可以認(rèn)為是一個(gè)常量，令另外考慮到簡化后系統(tǒng)小信號模型：

對式(7)進(jìn)行拉普拉斯變換(Laplace transform)：

由式(8)可得輸入對輸出的傳遞函數(shù)：

通過推導(dǎo)電路中各個(gè)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)，結(jié)合圖1可得充電器閉環(huán)系統(tǒng)的控制模型，如圖3所示。

在圖3中：Gid(s)及Giv(s)分別表示式(9)、式(10)推導(dǎo)的傳遞函數(shù)；Gpi(s)=Kp+Ki/s表示所欲設(shè)計(jì)的PI調(diào)節(jié)器；Gpwm(s)表示由誤差信號產(chǎn)生占空比的傳遞函數(shù)，由控制器給出這里設(shè)為1；Iref(s)表示輸入信號的擾動；VI(s)表示太陽電池組的輸入擾動。

由圖1可知太陽電池組的輸出端接有大電容，因此電池端電壓擾動響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于占空比的擾動，令太陽電池電壓擾動為零，可得充電器輸出電流Ibat(s)對參考電流Iref(s)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：

2.2參數(shù)分析設(shè)計(jì)

如圖1所示，蓄電池電流Ibat由閉環(huán)控制且跟蹤參考電流的輸入。當(dāng)太陽電池板的輸出功率Ps小于其實(shí)際的最大功率PMPP時(shí)，為了達(dá)到滿意的跟蹤效果，控制器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)TGS必須小于參考電流的積分時(shí)間常數(shù)Tiu；如果TGS大于Tiu，則在一個(gè)PI控制周期內(nèi)蓄電池電流Ibat跟蹤不上參考電流上升的速度，當(dāng)它們差值達(dá)到ΔIlimit時(shí)，充電電流Ibat開始減小，此時(shí)還未達(dá)到最大功率點(diǎn)，功率跟蹤失效。

由于蓄電池的最大功率不穩(wěn)定,一旦達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，制器輸出功率可能大于太陽電池板的實(shí)際功率Ps，此時(shí)電中儲存的能量開始釋放，Ibat開始減小，Iref必須選擇合理的積時(shí)間常數(shù)－Tid且遠(yuǎn)小于TGS，否則由于Iref減小的速度比Ibat慢，由于PI的關(guān)系占空比D將很快達(dá)到1，太陽電池板直接與蓄電池相連，最大功率跟蹤失效。

綜合以上分析，應(yīng)用LCMPPT跟蹤太陽能的最大功率必須滿足：

為了達(dá)到良好的跟蹤效果，一般取Tiu＆gt;100Tid，這樣當(dāng)光照、溫度等外部因素變化較快時(shí)，充電器依然能工作在最大功率點(diǎn)附近，通過控制ΔIlimit，可以調(diào)整LCMPPT的跟蹤效率。另外充電控制系統(tǒng)容易受到外部光照、溫度等環(huán)境的擾動，綜合考慮系統(tǒng)的快速性及穩(wěn)定性，對于閉環(huán)傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)其阻尼比ε=1，此時(shí)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)為臨界阻尼狀態(tài)。

控制器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為：

可知：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)分析

在本實(shí)驗(yàn)中所選太陽電池組參數(shù)如表1表示，蓄電池為24 V、65 Ah的鉛酸蓄電池。

????????????? V /V I/A 　V 44 　4.75 　34.8 　4.35 　175 /V I/A P/W

根據(jù)以上推導(dǎo)，如果選擇KP=0.1，L=1 mH，以最大功率點(diǎn)時(shí)太陽電池板輸出電壓計(jì)算控制器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)為：TGS= 1.15 ms。但是當(dāng)太陽電池板光照有所減弱時(shí)，其最大功率點(diǎn)電壓小于VMPP點(diǎn)電壓，相應(yīng)的充電器的響應(yīng)時(shí)間TGS變長，從而選擇TGS=2 ms。由式(15)可知KI=0.05，滿足式(12)則可選擇Tiu=100 ms，Tid=0.5 ms。

實(shí)驗(yàn)中所用到的控制芯片采用低功耗的PIC16F877A，內(nèi)帶12位的AD轉(zhuǎn)換，電流傳感器的最大電流采樣值可達(dá)10 A，LCMPPT最大功率跟蹤的控制流程如圖4所示。

圖4　最大功率跟蹤控制流程

在程序中必須合理選擇PI調(diào)節(jié)時(shí)間，PI調(diào)節(jié)時(shí)間應(yīng)大于buck充電器的響應(yīng)時(shí)間，否則系統(tǒng)還沒達(dá)到溫度其占空比又改變，因此積分周期最好選擇充電器的響應(yīng)時(shí)間附近選取，這樣系統(tǒng)能有較快的響應(yīng)速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，在電流波形中每5 V表示實(shí)際電流值2 A，即圖中1格表示的實(shí)際充電電流為2 A，在實(shí)驗(yàn)中將穩(wěn)定工作時(shí)的最大功率點(diǎn)設(shè)置在4 A左右，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)充電器能快速響應(yīng)。

圖5　　實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)論

本文在建立太陽能充電器動態(tài)模型的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了LCMPPT算法，該方法以電流閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)簡單，所需要的外圍電路少，應(yīng)用PI調(diào)節(jié)使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。通過實(shí)驗(yàn)證明了該方法的可行性。

[1]吳財(cái)福，張健軒，陳裕愷，等.太陽能光伏并網(wǎng)及照明系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009：20-40.

[2]MATSUI M,KOH K.A solar battery charging module by means of limit-cycle MPPT control[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Power Electronics.Daegu,Korea:the 7th International Conference on Power Electronics,2007:22-26.

Solar powered battery charger based on limited current error signal control

LIU Zhi-bin
(Jincheng Power Supply Company of the State Grid,Jincheng Shanxi 048000,China)

A buck current converter was used to control the output power of the PV panel and the charging current for the battery.The dynamic model of the charger was established according to the concept of state space averaging. Application LCMPPT was used to trace the maximum power point of solar energy base on dynamic model.The system had good steady precision,response speed and the control method and peripheral circuits of system were also simplified.A practical circuit was successfully implemented on PIC16F877A.The experimental result shows the feasibility of this solar charger.

solar energy;dynamic model;LCMPPT;charge

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0144-03

2015-06-03

劉志斌(1967—)，男，山西省人，助理工程師，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電。