基于變步長擾動逼近法的移動式在線光伏充電MPPT 技術(shù)

高佳俊，李維波*,，李齊，鄒振杰，盧月

1 武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430070

2 西藏大學(xué) 供氧研究院，西藏 拉薩 850012

0 引 言

隨著科技的不斷進步和對環(huán)保要求的不斷提高，從化石能源轉(zhuǎn)向可再生清潔能源已成為人們關(guān)注的焦點之一。對于移動平臺而言，其最大的難題表現(xiàn)為：無法在短時間內(nèi)將蓄電池充滿；由于移動平臺的空間尺寸約束，無法采用容量太大的蓄電池，這將導(dǎo)致單次充電的儲能過少，故其有效使用時間較短[1-3]。然而，如果把思路聚焦到太陽能上，對于周身在較強光照環(huán)境下的移動平臺而言，采用光伏作為蓄電池的充電能量來源，既可實現(xiàn)蓄電池“邊用邊充”的在線充電效果，又可兼顧節(jié)能環(huán)保要求。

目前，移動平臺的光伏充電器有2 種主流形式，一種是非隔離型，另一種是隔離型[4-6]。非隔離型的光伏充電器一般采用2 級DC/DC 變換器的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中前級DC/DC 變換器用于最大功率點跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）、后級DC/DC 變換器則用于充電控制。這種方案的優(yōu)點是2 級結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單、獨立運行且協(xié)調(diào)控制，但是由于該方案中光伏板和蓄電池之間沒有隔離，所以共模干擾的問題較嚴(yán)重，且在外部環(huán)境比較惡劣時的干擾更為突出，這將明顯影響其充電效能。而市面上主流的隔離型光伏充電器分為2 種，一種采用工頻變壓器，另一種則采用高頻變壓器。由于移動平臺對設(shè)備尺寸的約束要求很嚴(yán)格，所以工頻隔離方式并不適用。目前，移動平臺大多采用高頻隔離型充電拓?fù)?，即“光伏板—BOOST 電路—高頻逆變—高頻變壓器—高頻整流—DC/DC—蓄電池”的經(jīng)典拓?fù)?。其中BOOST 電路用于執(zhí)行MPPT 算法跟蹤任務(wù)，高頻逆變高頻變壓器旨在解決隔離問題，而DC/DC 變換器則用于實現(xiàn)充電控制。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點是在兼顧MPPT 控制和充電控制的同時，減少外界環(huán)境的干擾，尤其是光照條件變化的不良影響。不過，如果該拓?fù)涞募墧?shù)太多，則將限制其變換效率[7-9]。

為了解決光伏板和蓄電池之間的電氣隔離問題，以及系統(tǒng)的變換效率限制問題，本文擬提出一種采用高頻逆變器與隔離變壓器共同作為MPPT載體的移動光伏充電拓?fù)?。通過借助變步長擾動逼近法進行MPPT 算法跟蹤，同時將高頻整流和后級DC/DC 變換器合并，將充電控制與高頻逆變的脈沖調(diào)制相結(jié)合，最終將高頻隔離、MPPT 跟蹤和充電控制三大功能集成一體。該方案既繼承了高頻隔離拓?fù)涞膬?yōu)勢，又減少了變換級數(shù)，可以最大限度地提高在線充電裝置的轉(zhuǎn)換效率。

1 移動光伏充電裝置的主拓?fù)?/h2>

圖1 所示為在線光伏充電裝置的主拓?fù)?，主要由光伏板、直流與緩啟動、高頻逆變器、高頻變壓器、高頻整流器、輸出濾波、蓄電池和主控板組成，其中主控板由數(shù)字輸入（digital input，DI）電路、數(shù)字輸出（digital output，DO）電路、輸入模擬信號采集電路1、輸出模擬信號采集電路2、環(huán)境信號采集電路、驅(qū)動模塊和通信模塊等組成。

圖1 在線光伏充電裝置的主拓?fù)銯ig. 1 Main topology of photovoltaic online charging device

圖1 中：Uin為高頻逆變器的輸入電壓，即光伏板的輸出電壓；UN為高頻逆變器的輸出電壓；n為高頻變壓器的匝數(shù)比；Ub為高頻變壓器的輸出電壓；Uout為高頻整流器的輸出電壓，即加載在蓄電池兩端的充電電壓。此外，DI 電路的作用是輸入啟、停信號；DO 電路的作用是輸出緩啟動信號；輸入模擬信號采集電路1 的作用是采集高頻逆變器的輸入電壓和電流，即光伏板的輸出電壓和電流；輸出模擬信號采集電路2 的作用是采集蓄電池的充電電壓和電流；環(huán)境信號采集電路的作用是采集功率模塊的溫度、工作環(huán)境的濕度；驅(qū)動模塊的作用是連接功率模塊，以控制高頻逆變器中IGBT 晶體管的閉合和斷開；通信模塊的作用是經(jīng)由CAN 通信來連接上位機界面。

2 變步長擾動逼近法MPPT 策略

2.1 光伏板的輸出特性曲線

本文以某塊650 W 的光伏板作為研究對象，開展仿真及工程驗證。圖2 所示為光伏板在不同溫度和光照條件下的I-U輸出曲線和P-U輸出曲線，其中I，U，P分別為光伏板的輸出電流、輸出電壓、輸出功率。圖2（a）為光照強度Ir=1 kW/m2時，不同溫度條件下的輸出曲線；圖2（b）為溫度T=25 ℃時，不同光照強度條件下的輸出曲線。由圖2 可知，I-U輸出曲線存在一個拐點；而P-U輸出曲線是存在一個單峰值的非線性曲線，其峰值即光伏板的最大功率點。當(dāng)光照強度Ir=1 kW/m2時，隨著溫度的增加，光伏板的輸出電壓和輸出功率均有所下降；當(dāng)溫度T=25 ℃時，隨著光照強度的增加，光伏板的輸出電流和輸出功率均相應(yīng)升高。

圖2 光伏板的輸出特性曲線Fig. 2 Output characteristic curves of photovoltaic panel

2.2 變步長擾動逼近法MPPT 理論

本文所采用的高頻逆變器為方波逆變，其與隔離變壓器共同作為MPPT 載體，其輸入/輸出電壓滿足以下條件：

式中：D為高頻逆變器的占空比；k為方波不控整流的變換系數(shù)。

將式（1）進行簡化，則光伏板輸出電壓與蓄電池兩端充電電壓的關(guān)系為

由式（2）可知，當(dāng)高頻變壓器的匝數(shù)比n為固定值時，蓄電池的充電電壓Uout取決于光伏板輸出電壓Uin和高頻逆變器占空比D。當(dāng)太陽光強的變化較小時，如需提高充電電壓Uout，則應(yīng)增加高頻逆變器的占空比D；反之，如需降低充電電壓Uout，則應(yīng)減小占空比D。由此可見，為了增加光伏板的利用率以及蓄電池的充電速度，只需通過控制高頻逆變器的占空比D，即可確保充電系統(tǒng)盡可能工作在最大功率點，從而實現(xiàn)MPPT 算法跟蹤。

目前，常用的MPPT 算法包括恒定電壓跟蹤法、短路電流比例系數(shù)法、電導(dǎo)增量法和擾動觀察法[10]。前2 種方法為開環(huán)控制，即根據(jù)光伏板在標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下的曲線，控制充電電壓達(dá)到一個恒定值，該類算法運行簡單、成本較低，但在外部環(huán)境實時改變的移動平臺上，無法實現(xiàn)光伏板最大功率點的有效跟蹤。后2 種方法為閉環(huán)控制，其中電導(dǎo)增量法需時刻計算功率值的導(dǎo)數(shù)，所以算法偏復(fù)雜，計算速度較慢；而擾動逼近法可以有效地跟蹤光伏板的最大功率點，其運行相對簡單、成本也比較低[11-13]。

因此，本文將采用基于變步長的擾動逼近式MPPT 算法，其基本原理是：通過觀察光伏板的輸出功率及電壓變化，來調(diào)節(jié)高頻逆變器的占空比，進而改變充電電壓Uout，最終實現(xiàn)最大功率點的跟蹤功能。圖3 所示為基于變步長擾動逼近式MPPT 算法的流程，其中：Dt和Dt-1分別為當(dāng)前時刻和前一時刻的占空比，Pt和Pt-1分別為當(dāng)前時刻和前一時刻的輸入功率；Ut和Ut-1分別為當(dāng)前時刻和前一時刻的輸入電壓。

圖3 基于變步長擾動逼近法的MPPT 算法流程Fig. 3 MPPT algorithm flowchart based on variable step size disturbance approximation method

如圖3 所示，基于變步長擾動逼近式MPPT算法的主要流程為：

1） 首先，輸入初始占空比D0和干擾步長ΔD。

2） 然后，令Dt-1=D0，Pt-1=0，并采集當(dāng)前時刻的輸入電壓Ut和輸入電流It，進而計算輸入功率Pt、功率變化ΔP以及電壓變化ΔU。

3） 最后，根據(jù)ΔP和ΔU的變化趨勢，調(diào)整在線變步長擾動的逼近趨勢，即調(diào)整光伏充電裝置中高頻逆變器占空比D的變化趨勢。判定原則為：（1）當(dāng)ΔP＞0 且ΔU＞0 時，應(yīng)減小占空比D，令Dt=Dt-1-ΔD；（2）當(dāng)ΔP＞0 且ΔU＜0 時，應(yīng)增加占空比D，令Dt=Dt-1+ΔD；（3）當(dāng)ΔP＜0 且ΔU＞0 時，應(yīng)增 加 占 空 比D，令Dt=Dt-1+ΔD；（4）當(dāng)ΔP＜0 且ΔU＜0 時，應(yīng)減小占空比D，令Dt=Dt-1-ΔD。同時，令Pt-1=Pt，Dt-1=Dt，即將本次循環(huán)中當(dāng)前時刻的功率和占空比，賦值到下一個循環(huán)中，并作為下一個循環(huán)在前一時刻的功率和占空比。

3 蓄電池的充電控制策略

由于蓄電池電壓將隨著其剩余電量（state of charge，SOC）的增加而增加，為了同時保證蓄電池充電的速度和安全性，可以通過采集蓄電池兩端的電壓、電流來判斷蓄電池的SOC 情況[14]，即

式中：SOCbat(t)，SOC0分別為蓄電池的當(dāng)前電量和初始電量，其中SOC0由蓄電池的自身屬性和所采集的初始電壓決定；ibat為蓄電池的充電電流；t為充電時間；Cbat為蓄電池的容量。

根據(jù)式（3），SOC 的估算流程如圖4 所示，其中SOCt和SOCt-1分別為當(dāng)前時刻和前一時刻蓄電池的剩余電量。首先，輸入蓄電池容量Cbat，采集蓄電池的初始電壓U0；然后，計算蓄電池的初始電量SOC0，并令SOCt-1=SOC0；最后，采集充電電流ibat，根據(jù)式（2）計算當(dāng)前t時刻的蓄電池剩余電量SOCt。

圖4 SOC 估算流程圖Fig. 4 Flowchart of SOC estimation

根據(jù)蓄電池的SOC 情況，本文將采用三段式充電方法，即：MPPT 最大功率充電階段、恒壓限流充電階段和浮充電階段，如圖5 所示。

圖5 三段式充電示意圖Fig. 5 Schematic diagram of three stages charging

1） MPPT 最大功率充電階段。

在充電初期，蓄電池的剩余電量較少，將采用MPPT 最大功率的方式對蓄電池進行充電，從而使光伏板工作在最大功率點，以確保蓄電池的充電速度。為了在蓄電池容量接近充滿時防止過充，應(yīng)設(shè)置最低閾值SOCL，當(dāng)SOCt＞SOCL時，裝置即可轉(zhuǎn)入恒壓限流充電階段。

2） 恒壓限流充電階段。

此時蓄電池已經(jīng)基本充滿，為了達(dá)到安全充電的目的，應(yīng)通過降低高頻逆變器的占空比來降低光伏板的功率，從而對蓄電池進行低電流充電，以有效避免蓄電池過充。為了防止蓄電池自身放電而導(dǎo)致電量下降，應(yīng)設(shè)置最高閾值SOCH，當(dāng)SOCt＞SOCH時，裝置隨即轉(zhuǎn)入浮充電階段。

3） 浮充電階段。

此時蓄電池已經(jīng)充滿，應(yīng)進一步降低高頻逆變器的占空比，以再次降低光伏板的功率，僅以微弱的電流對蓄電池進行充電，從而使蓄電池電量始終保持在充滿的狀態(tài)。因此，該階段也意味著整個充電過程的結(jié)束。

充電控制策略流程如圖6 所示。

圖6 三段式充電控制策略的流程圖Fig. 6 Flowchart of three-stage charge control strategy

4 建模與仿真分析

為了驗證本文提出的基于變步長擾動逼近法的MPPT 控制策略和蓄電池充電控制策略的可行性及有效性，根據(jù)在線光伏充電裝置主拓?fù)洌▓D1），采用Matlab/simulink 仿真軟件搭建移動光伏充電裝置，其仿真模型如圖7 所示，關(guān)鍵性仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 在線光伏充電裝置的關(guān)鍵性仿真參數(shù)Table 1 Key simulation parameters of photovoltaic on-line charging device

圖7 在線光伏充電裝置的仿真模型Fig. 7 Simulation model of photovoltaic on-line charging device

圖7 中：“光伏板輸出曲線”模塊為本文的輸入測量，包括光伏板光照強度Ir、光伏板輸出電流I_PV、光伏板輸出電壓V_PV、光伏板輸出功率P_PV；“蓄電池狀態(tài)”和“充電曲線”模塊為本文的輸出測量，包括蓄電池充電電流I_Battery、蓄電池充電電壓V_Battery、蓄電池充電功率P_Battery、蓄電池剩余電量SOC。

4.1 MPPT 控制策略的仿真驗證

通過調(diào)節(jié)光伏板輸入的光照強度，模擬現(xiàn)實環(huán)境中的正常光照以及遮光環(huán)境，從而改變光伏板的最大功率點，隨即觀察光伏板的輸出電壓、電流和功率以及蓄電池的充電電壓、電流、功率和SOC 狀態(tài)，即可驗證基于變步長擾動逼近法的MPPT 算法跟蹤的準(zhǔn)確性，其仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 基于變步長擾動逼近法的MPPT 仿真波形Fig. 8 MPPT simulation waveform based on variable step size disturbance approximation method

由圖8（a）可知，在0～10 s 內(nèi)，光伏板工作在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下；第10 s 時刻，突然降低光伏板的輸入光照強度以模擬現(xiàn)實環(huán)境中的遮光情況；第20 s 時刻，恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)光照強度。仿真結(jié)果表明：充電裝置可以快速跟蹤光伏板的最大功率點，從而讓光伏板一直運行在最大功率狀態(tài)對蓄電池進行充電；當(dāng)光照強度降低時，光伏板的輸出功率隨之降低，蓄電池的充電速度也相應(yīng)變慢。

光伏板輸出功率P_PV 和蓄電池充電功率P_Battery 的對比結(jié)果如圖9 所示，根據(jù)仿真結(jié)果，在線充電裝置在中間環(huán)節(jié)損耗的電能較小，光伏板可以實現(xiàn)對蓄電池的高效充電。

圖9 光伏板輸出功率和蓄電池輸入功率的對比曲線Fig. 9 Comparison curves between output power of photovoltaic panel and input power of battery

4.2 蓄電池充電策略的仿真驗證

由于本文將高頻逆變器與高頻隔離變壓器共同作為MPPT 載體，所以Simulink 的采樣頻率賦值較高。為了在短時間內(nèi)模擬蓄電池的三段式充電過程，首先將蓄電池的容量減小到0.01 Ah，同時在蓄電池充電策略仿真驗證的第一階段（即MPPT 最大功率充電階段）中，令光伏板的光照強度一直保持1 000 W/m2，其仿真結(jié)果如圖10 所示。

圖10 三段式充電的仿真波形Fig. 10 Simulation waveform of three stage charging

由圖10 可知，在充電初期，在線充電裝置采用MPPT 最大功率充電，即光伏板工作在最大功率點，此時蓄電池迅速充電，其蓄電池電壓隨著SOC的增加而增加。當(dāng)蓄電池SOC達(dá)到SOCL時，根據(jù)本文設(shè)計的蓄電池充電控制策略，裝置進入第二充電階段，即恒壓限流充電階段。雖然此時光伏板的光照強度依然為1 000 W/m2，但是由于高頻逆變器占空比的降低，使得光伏板功率隨之降低，進而降低了蓄電池的充電電流，同時維持蓄電池的兩端電壓恒定。由于蓄電池內(nèi)阻將隨著SOC的增加而增加，所以在恒壓限流充電階段的充電電流會緩慢下降。當(dāng)蓄電池SOC接近SOCH時，第二階段結(jié)束，裝置進入第三充電階段，即浮充電階段。此時高頻逆變器占空比將進一步減小，使得光伏板功率再次降低，從而維持較低的蓄電池電流，以避免因蓄電池自身放電而導(dǎo)致的電量下降，進入此階段也意味著整個充電過程的結(jié)束。

5 工程化測試

根據(jù)在線光伏充電裝置主拓?fù)洌▓D1），研發(fā)了如圖11 所示的實體樣機。

圖11 充電裝置實物圖Fig. 11 Photographs of charging device

為了驗證基于變步長擾動逼近法的MPPT 算法跟蹤的準(zhǔn)確性以及其充電效率，本文對充電裝置實物開展了現(xiàn)場測試工作，其在正常光照和遮光2 種情況下的測試結(jié)果如圖12 所示，各包含15 組測試結(jié)果。圖12 中：Iin為光伏板的輸出電流；Vin為光伏板的輸出電壓；Pin為光伏板的輸出功率；Iout為蓄電池的充電電流；Vout為蓄電池的充電電壓；Pout為蓄電池的充電功率。

通過對比圖12 的實測結(jié)果與圖8 的仿真結(jié)果可知，雖然光伏板輸出功率和蓄電池充電功率實測數(shù)據(jù)的波動相對較大，但仍然可以將誤差保持在較小的范圍內(nèi)?，F(xiàn)場測試結(jié)果表明，當(dāng)光照條件發(fā)生變化時，該裝置可以通過改變高頻逆變器的占空比，從而實現(xiàn)MPPT 算法跟蹤的功能，其整體充電效率可以保持在92%以上。

圖12 充電裝置的測試結(jié)果Fig. 12 Test results of charging device

6 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)光伏充電裝置的典型拓?fù)浼捌鋬?yōu)缺點，本文構(gòu)建了移動式在線光伏充電裝置拓?fù)洌ㄟ^將高頻逆變器與高頻隔離變壓器共同作為MPPT 載體，不但彌補了傳統(tǒng)非隔離型光伏充電裝置的電氣隔離問題，還解決了傳統(tǒng)隔離性光伏充電裝置中級數(shù)多、效率受限等問題。基于此，本文提出了基于變步長擾動逼近法的MPPT 跟蹤技術(shù)，仿真分析與現(xiàn)場測試結(jié)果表明，該在線光伏充電裝置可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)MPPT 算法跟蹤，同時，由于采納了三段式充電方案，還能確保蓄電池快速、安全地充電。然而，該方案目前尚處于車載平臺運行階段，下一步擬開展實船移動平臺測試工作。