上海正泰电源系统有限公司 ■ 高平浙江正泰电器股份有限公司 ■ 黄甫

具有新型MPPT算法的独立光伏充电器的研究

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研究提出一种新型的MPPT算法，实现蓄电池在主充阶段尽可能多的能量输入，实现快速充电和固定频率控制算法，实现蓄电池在均充、浮充阶段的恒压充电，从而提高独立光伏充电器的充电效率，并通过硬件试验平台进行试验运行和数据检测，验证该设计的有效性。结果表明，该太阳能独立光伏充电系统采用新MPPT算法可实现蓄电池最大功率捕获，符合设计的要求。

独立太阳能；MPPT；充电器；DC-DC；电路；单片机

0　引言

目前，光伏发电系统因其发展成本降低，成为解决环境问题的一种有效解决方案［1，2］。光伏发电系统的研究备受研究者关注，提高光伏发电系统的发电效率仍是一个具有挑战性的研究领域。由于光伏发电系统输出功率与不同的负载电流、温度和辐射有关，因此不能被建模为一个恒定的直流电流源。为了实现最大功率的捕获，通常在太阳电池板与负载之间串联一DC-DC功率转换电路，基于太阳电池电压和电流的检测，通过最大功率点跟踪（MPPT）算法输出PWM控制DC-DC功率电路的运行。MPPT控制算法通常应用于DC-DC转换器，其典型的连接图如图1所示。

图1　PV系统MPPT控制典型框图

目前蓄电池充电系统一般仍采用三阶段充电法，包括主充、均充、浮充。蓄电池的三阶段充电法避免了恒压充电导致充电效率低、恒流充电导致蓄电池无法析气的缺点，且基于光伏组件的I-V特性可通过控制算法实现采用固定频率的恒压工作模式或MPPT算法实现恒流工作模式。太阳电池输出电气特性结合蓄电池的三阶段充电需求，可提高蓄电池主充阶段的充电速度和充电效率，以及均充、浮充阶段的蓄电池性能保护，提高蓄电池的使用寿命［3，4］。本文研究提出一种具有MPPT算法的独立光伏充电器，在蓄电池的主充阶段采用最大功率点跟踪实现光伏组件最大功率的输出，为蓄电池在主充阶段实现最大能量的输入，提高蓄电池的充电和应用效率，而在蓄电池的均充与浮充阶段采用固定频率电压控制。上述蓄电池的各充电阶段采用全数字化单片机检测判断，通过单片机的AD转换器检测太阳电池输出和蓄电池电压，从而可确定蓄电池的充电阶段，实现蓄电池充电阶段的转换与蓄电池的能量精确管理。

1　太阳电池等效电路

太阳电池的电路模型由p-n半导体结组成，在光的照射下，会产生光电效应从而产生电流。所产生的电流取决于太阳辐射、温度和负载电流。典型的太阳电池等效电路如图2所示［5，6］。

太阳电池的基本I-V特性可由以下公式来进行描述：

式中，Ipv、Vpv分别为太阳电池电流、电压；Isc为短路电流；ID为二极管前向导通电流；I0为p-n结的反向饱和电流；VD为二极管电压；Rs为太阳电池串联等效阻抗；RP为太阳电池并联等效阻抗；VT为与温度相关的电压函数。

根据以上公式，得到如图3所示的太阳电池的I-V特性曲线。

图3　太阳电池的仿真曲线图

2　光伏蓄电池充电系统

DC-DC功率电路根据电路工作电压参数的不同，输入电压与输出电压的幅值相差可分为BUCK型、BOOST型和BUCK-BOOST型3种基本类型。BOOST型DC-DC功率电路的电感参数设计的足够大，电路运行处于连续电流运行模式（CCM），于是功率电路的电流纹波输出将会足够小，可接近于直流。另一方面，BOOST型DC-DC功率电路的功率开关驱动信号电路容易设计，可降低系统的硬件设计难度及成本，如图3所示的太阳电池I-V特性曲线可知，太阳电池的工作特性受外部的工作环境影响很大，如温度、光照，通过对功率电路中主开关S的通断控制，可实现太阳电池的最大功率输出。本研究采用光伏发电系统通常采用的升压型Boost电路来实现最大功率跟踪光伏蓄电池充电系统［7，8］，具体电路拓扑如图4所示。

图4　太阳电池电路拓扑图

3　具有MPPT算法的充电控制方法

高效的充电控制方法不仅能提高蓄电池的充电效率，而且还能提高蓄电池的安全使用寿命。本文提出的新型MPPT算法的充电控制方法计算分为两阶段：带有MPPT算法的快速充电阶段和固定频率控制的恒压充电阶段，两种不同的充电控制方式符合了蓄电池三阶段充电方式的要求。

3.1快速充电阶段

通过单片机检测到蓄电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组是否需要快充；当确定蓄电池需要快充时，即光伏系统处于最大功率运行模式时，系统需要导入最大功率跟踪算法。最大功率跟踪算法最终输出控制BOOST电路中开关的开关占空比及开关频率的算法，其过程如下：

设BOOST电路的运行占空比为d，开关周期为Ts，太阳电池板的电压为Upv，当BOOST升压电路工作于电流临界连续模式，则根据电感的伏秒平衡，电感的励磁电压与去磁电压相等可得：

根据式（4）推导得到开关占空比d：

假设每个开关周期内电感的存储能量为E1，则有：

式中，L为BOOST电感感量；Isp为电感电流值。

每个开关周期内输出到电池的能量E2为：

式中，Po为输出功率值。

根据能量守恒知E1=E2，则：

根据法拉第定律，BOOST电感的电压为：

对式（9）两边取积分，可得电感电流为：

将式（10）代入式（8），则BOOST升压电路的开关周期为：

采用目前最简单的和最受欢迎的MPPT算法——功率扰动法（P&O算法）［7，8］，在一定的间隔时间检测的功率变化ΔP=Pk-Pk-1，将光伏充电系统的运行状态向输出功率增加的方向操作，通过式（5）、式（11）可见BOOST转换器系统的开关频率Ts与占空比d跟着光伏系统的电压扰动向功率增加的方向运行，即可实现最大功率的跟踪计算。

3.2恒压充电阶段

通过单片机检测到蓄电池的端电压Uout，根据Uout的检测值判断电池组是否进入恒压充电；当确定蓄电池电池需要进入恒压充电时，BOOST升压电路进入定频的恒压控制模式，则：

占空比的计算则根据数字检测到的输入电压和输出电压的控制关系，如式（5）。具体算法可见如图5所示的控制流程框图。

图5　具有MPPT算法的充电控制方法控制框图

4　数字化充电能量管理

采用单片机的全数字化控制系统可精确实现蓄电池电量能量管理，电池能量的实时管理可保证蓄电池电池性能并提高其寿命。单片机通过AD检测蓄电池电压数值和太阳电池的电压数值，根据采样的数值进行蓄电池充电阶段的判断与转换，并且需要对蓄电池的电量进行统计计算。可通过累积电池在充电或放电时的电量来确定蓄电池的电荷状态（SOC），并且可根据蓄电池的温度、放电率对蓄电池的SOC进行补偿，提高蓄电池能量管理的效果［9］。具体可根据式（13）计算出；

式中，SOC0为初始SOC；CI为电池额定容量；I为充放电电流，充电时取负，放电时取正；η为充放电效率；t0、tf分别为充放电开始时间和结束时间。

5　试验结果分析

根据图4所示的独立太阳能光伏蓄电池充电系统建立了试验电路进行试验。系统的参数：太阳电池板的最大开路电压为42 V，MPPT电压为18 V，最大功率为150 W。

上述独立太阳能光伏蓄电池充电系统建立了试验电路测试的蓄电池端电压、充电电流及输出功率的试验测试数据，根据数据得到如图6所示的数据折线图。

图6　蓄电池的端电压-充电电流-功率数据折线图

电路拓扑中主回路功率管的开关驱动波形图如图7和图8所示。

图7　MPPT调节输出的PWM波形图

图 8 主功率开关管的驱动波形图

从测试结果可知，系统根据太阳电池不同的状态，其开关波形随着最大功率的输入进行调整，且采用本文的控制方式在MPPT系统运行的充电也具有较高效率。

6　结论

本文提出一种独立太阳能光伏充电系统基于BOOST升压电路，采用全数字化单片机系统，通过新型MPPT算法实现蓄电池主充和固定频率恒压控制实现均充和浮充，同时结合蓄电池的能量管理对蓄电池的充电阶段进行精确的数字化控制，不仅可提高蓄电池的充电效率，而且还可实现蓄电池的长寿命使用运行。搭建了硬件试验平台进行试验运行和数据检测，试验的运行数据结果表明，本文提出的独立太阳能光伏充电系统采用新MPPT算法可实现蓄电池最大功率捕获，符合设计的要求。

［1］ 李雷， 杨春. 我国光伏产业现状与可持续发展策略研究［J］.中外能源， 2012， 17（4）： 28-37.

［2］ 国家发展和改革委员会. 可再生能源发展“十二五”规划［J］.太阳能， 2012， （16）： 6-19.

［3］ Kattakayam T A， Srinivasan K. Lead acid batteries in solar refrigeration systems［J］. Renewable Energy， 2004， 29（8）： 1243-1250.

［4］ Cathefino H A， Feres F F， Trinidad F. Sulfation in lead-acid batteries ［J］. Journal of Power Sources， 2004， 129（1）： 113-120.

［5］ Levron Y， Shmilovitz D. Maximum power point tracking employing sliding mode control［J］. IEEE Transactions on Circuits and Systems I： Regular Papers， 2013， 60（3）： 724-732.

［6］ 焦阳， 宋强， 刘文华. 基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略［J］. 电力自动化设备， 2010， 30（12）： 92-96.

［7］ 王恩， 杨海柱， 陈广华. 独立光伏发电系统中蓄电池充电方法探究［J］. 电子质量， 2010， （6）： 21-23.

［8］ 胡恒生， 王慧， 赵徐成， 等. 蓄电池充电方法的分析和探讨［J］. 电源技术应用， 2009， 12（8）：1-4.

［9］ 时剑， 单春贤， 童红， 等. MCU控制的太阳能电池最大功率跟踪控制器［J］.电力电子技术， 2008， 42（11）： 45-46.

2016-02-18

高平（1980—），男，硕士研究生，主要从事变频驱动与新能源方面的研究。gaopingping1980@163.com