儲(chǔ)能設(shè)備獲最大功率的改進(jìn)型光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

太陽能是一種潔凈、無污染且很有發(fā)展前途的可再生能源，與礦物燃料等不可再生的能源相比有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型能源，太陽能已經(jīng)引起越來越多國家的關(guān)注和研究。光伏發(fā)電的成本在全球產(chǎn)能提高的同時(shí)不斷減少，預(yù)計(jì)到2050 年，由太陽能提供的能源將占到全球能源的 11% 左右，因此，對(duì)太陽能的利用及環(huán)境的改善都有十分重要的意義。由于現(xiàn)有的光伏電池對(duì)太陽光的利用率不高，因此，如何高效利用太陽能給儲(chǔ)能設(shè)備充電具有很高的研究價(jià)值。

在光伏系統(tǒng)中，通過最大功率點(diǎn)跟蹤 (Maximum PowerPoint Tracking，MPPT) 技術(shù)可以使光伏電池輸出最大功率，從而提高光伏電池的能量利用率。但在實(shí)現(xiàn) MPPT 的過程中，人們往往忽略了一個(gè)問題，即當(dāng)光伏電池輸出最大功率時(shí)，我們期望的儲(chǔ)能設(shè)備是否獲得了最大功率。儲(chǔ)能設(shè)備最大功率的獲得一定要結(jié)合 MPPT 變換器的效率，只有當(dāng)光伏電池輸出功率和 MPPT 變換器的效率達(dá)到最優(yōu)比時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備才能獲得最大功率。在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往期望儲(chǔ)能設(shè)備獲得盡可能多的電能，而不是光伏電池輸出的最大功率。

1 光伏電池的伏安特性與功率特性

圖 1 所示是光伏電池的伏安與功率曲線。從圖 1中光伏電池的 V-I( 電壓 - 電流 ) 曲線可以看出，隨著光伏電池電壓的下降，其電流隨之增大 ；而光伏電池的功率則先是逐漸增大到最大功率點(diǎn)，然后逐漸減小。在實(shí)際情況下，光伏電池的伏安與功率曲線會(huì)隨著光照強(qiáng)度以及外界溫度的不同而發(fā)生變化，為了充分利用太陽能以獲取最大功率輸出 , 必須跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，從而最大限度地利用光伏電池所提供的能量。

圖1 光伏電池的伏安與功率曲線

2 光伏 MPPT 原理

圖 2 所示是 MPPT 變換器的硬件實(shí)現(xiàn)原理圖，其核心是利用 BUCK 轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)這一功能。最大功率點(diǎn)跟蹤算法 [3]本質(zhì)上是阻抗匹配，即當(dāng)負(fù)載的阻抗等于光伏電池的阻抗時(shí)，負(fù)載可以獲得最大功率。由于光伏電池的光伏特性受到光照強(qiáng)度、外界環(huán)境溫度等影響，因此，其電壓電流輸出特性呈非線性。這里將光伏電池等效為一個(gè)直流電源和一個(gè)可變電阻的串聯(lián)電路。其中可變電阻的阻值會(huì)受到光照強(qiáng)度、溫度等影響而發(fā)生變化，通過 BUCK 轉(zhuǎn)換器功率管的占空比變化可以改變其等效電阻 Req，其等效電阻 Req 如下式所示 ：

其中，D=Uo/Uin 為功率開關(guān)管的占空比 ；Ro 為實(shí)際負(fù)載阻抗。當(dāng) BUCK 轉(zhuǎn)換器的負(fù)載 Ro 一定時(shí)，通過改變占空比 D，就可以改變 Uin，從而改變光伏電池的等效負(fù)載，進(jìn)而改變光伏電池的工作點(diǎn)和輸出功率，找到最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率 [4]。實(shí)現(xiàn)這一方案 ( 最大功率點(diǎn)跟蹤器 ) 的方法有很多，但都非常復(fù)雜，尤其是在衛(wèi)星等任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中。然而在很多小型應(yīng)用中，并不需要極其精確的 MPPT 跟蹤方案，而只需要一個(gè)能量利用率為90%~95%可用電能的解決方案即可。

圖 2 MPPT 硬件實(shí)現(xiàn)原理

3 獲得儲(chǔ)能設(shè)備最大功率的實(shí)現(xiàn)算法

光伏系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)的跟蹤方法有很多種，比如恒壓跟蹤法 (CVT)、擾動(dòng)觀察法 [6](P&O) 以及增量電導(dǎo)法 (INC)等。這些算法的目標(biāo)都在于從光伏電池中獲得最大功率，而我們期望的是儲(chǔ)能設(shè)備最終獲得最大功率，因此，還要考慮MPPT 變換器的效率問題。在本文中，MPPT 變換器的效率特指BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率。由于擾動(dòng)觀察法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，是最常用的方法，因此本文基于擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備最大功率的獲得。

擾動(dòng)觀察法基于以下標(biāo)準(zhǔn) ：通過改變等效負(fù)載的阻抗變化來使得光伏電池工作電壓向某一方向擾動(dòng)，經(jīng)檢測(cè)，如果光伏電池的輸出功率增加，則意味著光伏電池的工作點(diǎn)向著最大功率點(diǎn)的方向移動(dòng)，即之前的擾動(dòng)方向正確，因此，光伏電池的工作電壓必須進(jìn)一步向原來的方向擾動(dòng)。否則，如果光伏電池的功率下降，則意味著光伏電池的工作點(diǎn)向遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的方向擾動(dòng)，此時(shí)的光伏電池工作電壓必須向反方向擾動(dòng)。

圖 3 系統(tǒng)每個(gè)部分功率關(guān)系圖

圖 3 所示是系統(tǒng)中每個(gè)部分的功率關(guān)系圖。從圖 3 中可以注意到，光伏電池的輸出最大功率是指 BUCK 轉(zhuǎn)換器自身消耗的功率 ( 由于其自身效率問題引起的內(nèi)耗 ) 與儲(chǔ)能設(shè)備所獲得的功率之和，而通常人們主要關(guān)注的是儲(chǔ)能設(shè)備所獲得的功率。由于 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率與特定的輸入電壓、輸入電流以及輸入電壓與輸出電壓差有關(guān)，因此，要考慮 BUCK 轉(zhuǎn)換器在特定的輸入電壓和輸入電流情況下的效率問題。在此提出在光伏MPPT 控制中，基于擾動(dòng)觀察法在 BUCK 轉(zhuǎn)換器不同效率的情況下，可使儲(chǔ)能設(shè)備獲得最大功率，即由 MSP430 控制 BUCK轉(zhuǎn)換器的 PWM( 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ) 占空比，來檢測(cè)流入儲(chǔ)能設(shè)備的電流和儲(chǔ)能設(shè)備的電壓，同時(shí)計(jì)算出當(dāng)前的功率。

圖 4 擾動(dòng)觀察法流程圖

圖4所示是擾動(dòng)觀察法的控制流程圖。從圖4中可以看出，如果儲(chǔ)能設(shè)備得到的功率增加，則按原方向擾動(dòng)光伏電池工作點(diǎn)，否則，要向相反的方向擾動(dòng)。當(dāng) W1-W2<W0 時(shí)，認(rèn)為當(dāng)前W1 和 W2 的功率相當(dāng)，其中 W0 為較小的功率閾值。通過擾動(dòng)使儲(chǔ)能設(shè)備最終獲得最大功率，而此時(shí)光伏電池的輸出功率可能不在最大功率點(diǎn)處，但是，在這種情況下，當(dāng)前光伏電池的輸出功率與 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率乘積最大，即儲(chǔ)能設(shè)備獲得的功率最大，因此光伏功率與效率的比值最優(yōu)，從而使儲(chǔ)能設(shè)備得到的功率最大。

4 儲(chǔ)能設(shè)備的選取與充電管理

隨著鋰離子化學(xué)電池在各種電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的使用越來越普遍，鋰電池充電的創(chuàng)新解決方案也越來越多。為了獲得最大程度的系統(tǒng)靈活度，我們可以使用旨在提高充電速率和電池壽命的獨(dú)特充電算法，利用微處理器來控制電池充電過程，此方法還能在更高電壓的電池組中實(shí)施。

這里的儲(chǔ)能設(shè)備選擇鋰電池，是由于其良好的充放電特性，且被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品。鋰電池有靈活的充電方式，但是鋰電池充電過程中連續(xù)最大充電電流不能超過 1C(C 是電池標(biāo)稱容量對(duì)照電流的一種表示方法 )，否則會(huì)造成對(duì)鋰電池的損壞。其充電截止電壓為 4.2 V( 有的鋰電為 4.1 V，主要是由于電極材料的不同導(dǎo)致的截止電壓不同 )，充電狀態(tài)由 MSP430進(jìn)行嚴(yán)格的控制，可保證充電安全和電池的使用壽命。由于過度充電和過度放電都會(huì)導(dǎo)致鋰電池壽命的大大縮短，因此，對(duì)電池的實(shí)時(shí)監(jiān)控也是設(shè)計(jì)中必不可少的。

5 MPPT 變換器效率及硬件電路設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)光伏電池 MPPT 變換器的關(guān)鍵除了高效的控制程序外，還包括 MPPT 變換器的效率問題。而 MPPT 變換器的效率主要依賴于 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率。假設(shè) MPPT 變換器使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處，由于 MPPT 變換器的效率很低，此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備獲得的功率也并不高！因?yàn)橛邢喈?dāng)大的一部分功率浪費(fèi)在了MPPT 變換器及其它供電設(shè)備 (比如單片機(jī)控制器等 ) 上。

圖 5 常用的 MPPT 變換器原理圖

圖 5 所示是一種常用的 MPPT 變換器設(shè)計(jì)方案，經(jīng)筆者測(cè)試，該類設(shè)計(jì)方案主要存在以下幾個(gè)問題 ：其一是在高速開關(guān)頻率下，開關(guān)管會(huì)出現(xiàn)振鈴效應(yīng)和拖尾現(xiàn)象，從而使得開關(guān)管上的功耗增大，電路的效率降低 ；其二，此電路為非同步整流電路，在電路工作的過程中，續(xù)流二極管會(huì)消耗一定功耗，降低了電路的效率 ；其三，在 PWM 驅(qū)動(dòng)方面要專門為開關(guān)管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，并且驅(qū)動(dòng)電路要有獨(dú)立的電源，由于光伏系統(tǒng)的電源并非穩(wěn)定的電源，這樣就增加了電路設(shè)計(jì)的困難及復(fù)雜度。

該類變換器的工作原理為 ：通過單片機(jī)輸出 PWM 信號(hào)來控制驅(qū)動(dòng)電路，并通過驅(qū)動(dòng)電路控制功率管使光伏電池輸出最大功率。但是，由于電路自身硬件結(jié)構(gòu)的限制，其效率很難達(dá)到 80% 以上，而且當(dāng)單片機(jī)的 PWM 輸出占空比較低時(shí)，光伏電池的平均功率很難通過 MPPT 變換器向儲(chǔ)能設(shè)備提供，這樣就造成了光伏電池功率的嚴(yán)重浪費(fèi)。當(dāng) MPPT 變換器的效率在 80% 以下時(shí)，即使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處，儲(chǔ)能設(shè)備得到的功率也很低，因而失去了 MPPT 變換器的實(shí)際利用價(jià)值。

鑒 于 以 上 問 題， 本 文 提 出 基 于 TI 公 司 生 產(chǎn) 的TPS62050芯片來實(shí)現(xiàn) MPPT 變換器功能的方案。該芯片內(nèi)部集成了開關(guān)功率管，是一款典型的 BUCK 轉(zhuǎn)換器，且其同步降壓型的控制電路異常高效，其典型效率圖如圖 6 所示。

圖 6 TPS62050 典型效率圖

對(duì)于所有的 BUCK 轉(zhuǎn)換器來說，效率與輸入輸出電壓差成反比，而且在輕負(fù)載情況下，固定頻率 PWM 轉(zhuǎn)換器的效率還將顯著降低。在這種情況下，TPS62050 提供了節(jié)電模式 (PFM 模式 ) 以提高其效率。根據(jù)工作情況，通過單片機(jī)MSP430 控制轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載電流條件下使用 PFM 模式，而在較重負(fù)載電流條件下，則使用 PWM 模式，這樣可使轉(zhuǎn)換器在寬泛的輸出電流下保持很高的效率。

TPS62050 的電路效率圖如圖 7 所示。從圖 7 可以看出，該芯片在輸出電流為 200 mA 時(shí)，其效率高達(dá) 93%，而選用的光伏電池為開路電壓 10 V，短路電流 190 mA。按照通常經(jīng)驗(yàn)，光伏電池的最大功率點(diǎn)大約為其開路電壓的 85%，即8.5 V，而鋰電池的充電電壓為 3.6~4.2 V。這樣，由圖 7 可以得出，在該 BUCK 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 8 V，輸出電壓為3.6~4.2 V 時(shí)，該芯片的效率在 90% 左右，而且該芯片的輸入電壓為 2.7~10 V 的寬電壓輸入，從而使得電路的應(yīng)用范圍更加廣泛。但是在實(shí)現(xiàn)過程中，仍要控制 BUCK 轉(zhuǎn)換器的占空比。本文通過 MSP430F1611 單片機(jī)控制數(shù)字電位器的阻值來控制 TPS62050 第 5 腳 FB( 反饋端 ) 的分壓，從而間接地改變 BUCK 轉(zhuǎn)換器的占空比，實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出功率的改變與MPPT 變換器的高效，兩者的最優(yōu)比可使儲(chǔ)能設(shè)備獲得最大功率。其系統(tǒng)控制電路如圖 8 所示。

6 仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表 1 是在相同光照和溫度下，光伏電池功率與 MPPT 變換器在不同效率下，儲(chǔ)能設(shè)備所獲得的功率數(shù)據(jù)。

從表 1 可以看出，當(dāng)光伏電池最大的輸出功率 (MPPT)為 1 071 mW、MPPT 變換器的效率為 87% 時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備得到的功率為 932 mW。而在光伏電池輸出功率為 1 056 mW、MPPT 變換器的效率為 90% 時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備得到的功率為950 mW，在這種情況下，儲(chǔ)能設(shè)備可獲得最大功率。

通過 Matlab 仿真表 1 所列的數(shù)據(jù)，可得到圖 9 所示的不同效率下 MPPT 變換器光伏電池功率與儲(chǔ)能設(shè)備所獲得的功率關(guān)系圖。

圖 9 在 MPPT 變換器不同效率下光伏電池功率與儲(chǔ)能設(shè)備獲得功率關(guān)系圖

從圖 9 可以看出，光伏電池的輸出功率先是增大到最大功率點(diǎn)處，然后逐漸減小，儲(chǔ)能設(shè)備獲得的功率變化也是這樣。從圖 9 中還能直觀地看出，當(dāng)光伏電池輸出最大功率時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備并未獲得最大功率，而通過單片機(jī)控制，當(dāng)光伏電池輸出功率與 MPPT 變換器效率在最優(yōu)比的情況下，儲(chǔ)能設(shè)備可獲得最大功率，即此時(shí)儲(chǔ)能設(shè)備將從光伏電池中獲得更多的電能。

7 結(jié) 語

通過仿真驗(yàn)證，采用低功耗單片機(jī) MSP430F1611 控制數(shù)字電位器來間接控制 MPPT 變換器 TPS62050，可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能設(shè)備的最大功率點(diǎn)跟蹤，該控制器通過高效的算法和合理的硬件電路，能夠最大限度地利用光伏電池給鋰電池充電。但該控制器僅為單個(gè)控制，在以后的工作中可以進(jìn)一步改進(jìn)，比如將該系統(tǒng)做成分布式系統(tǒng)，將每個(gè)子系統(tǒng)作為分機(jī)，然后通過 ZigBee 等無線技術(shù)把各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)值發(fā)送到基站總體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。這樣有利于集中監(jiān)測(cè)和管理處于不同位置的分機(jī)，極大地減少人力、物力和財(cái)力，也更方便維護(hù)分機(jī)。

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