獨立光伏發電系統中太陽能充電器的設計

湯秀芬， 張 鑫， 米 晨

(寧夏大學 a.物理電氣信息學院;b.設備與物資管理處，寧夏 銀川 750021)

0 引言

在獨立光伏發電系統中，利用光伏陣列來收集太陽能，再經過直流-直流(DC-DC)變換器給蓄電池充電。由于日照時間是無法人為調節的，而光伏陣列的容量也由系統的投資所限制，僅用常規的充電策略不能達到高效利用的目的。如果陣列輸出不足以提供蓄電池在當前充電情況下的充電所需能量時，陣列最大功率點跟蹤(MPPT)方式的能量能全部利用;相反，陣列輸出能量超過蓄電池在當前充電情況下的充電所需能量時，陣列就不能運行在MPPT方式，太陽能將沒有得到充分利用，造成浪費。而在大多數的實際場合，常用充電管理系統中，雖然陣列由于蓄電池接受電流小，不能運行在MPPT方式下，但蓄電池充電至無太陽能輸出時還是在欠充狀態，這無疑是充電管理方法不當造成的[1]。

本文以目前獨立光伏系統主流使用的閥控鉛酸蓄電池(VRLA)為研究對象，在設計太陽能充電器時，既要考慮太陽能電池的MPPT，又要考慮蓄電池的充放電特性。提出采用“馬斯定律”可接受充電電流和太陽能光伏陣列最大功率跟蹤相結合的方法，并對系統中VRLA蓄電池進行高效充電管理，實現系統能量最大利用和延長蓄電池的使用壽命。

1 太陽能充電器的硬件設計

系統硬件由直流-直流(DC-DC)功率變換器和檢測與控制電路組成。負載對象為某小區的地埋燈照明系統，光伏陣列的選用是根據負載要求、蓄電池性能和轉換電路的損耗等情況來確定光伏系統所需的功率，即計算所需光伏陣列的輸出功率。選用江蘇省靖江市星光太陽能電池部件有限公司的型號為XG-180多晶硅光伏電池組件，具體參數為標準條件(日照強度1 kW/m2、大氣質量 AM1.5、電池結溫25 ℃)時，最大輸出功率PM=180 W，開路電壓UOC=46.26 V，短路電流ISC=5.7 A，最大工作電壓UM=36 V，最大工作電流IM=5 A。VRLA蓄電池采用風帆股份有限公司的型號為6-DZM-100的12 V 100 A·h電池，蓄電池組采用4塊鉛酸蓄電池串聯組成，額定電壓為48 V。適用于光伏發電系統的功率變換電路拓撲有 Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk電路等，由于本系統中只需要實現升壓，所以采用電路結構簡單、轉換效率高的Boost電路作為充電控制器的主電路。

1.1 DC-DC功率變換電路

功率變換Boost電路由儲能電感L、濾波電容C、功率開關管S和續流二極管D等組成。Up為光伏陣列的輸出電壓;Ub為Boost電路輸出至蓄電池的電壓。電路是一種將輸入電壓升高的非隔離直-直變換器，通過控制開關管的占空比可以控制升壓變換器的輸出電壓。根據電感電流是否連續，Boost變換器可分為連續工作模式、臨界連續工作模式和不連續工作模式，實際光伏發電系統要求運行在連續工作狀態，輸入電壓與輸出電壓的關系為

改變開關管占空比可控制系統按照希望的電壓運行。

電路拓撲如圖1所示[2-3]。Boost主電路主要針對升壓電感參數和輸出支撐電容參數進行設計，經計算選用電感L=2 mH，電容C=200 μF;開關管采用英飛凌公司的IGBT。

1.2 監測與控制電路

圖1 Boost變換器原理圖

充電器的監測與控制電路主要由單片機XC164CM和電壓、電流、溫度檢測等單元組成，如圖2所示。

圖2 充電器監測控制電路框圖

選用16位單片機XC164CM作為控制電路的核心，時鐘頻率為40 MHz，具有豐富的內部源:擁有64 KB片上可編程Flash，4 KB片上RAM;擁有專門的高速PWM輸出口CCU6，能方便地設置上下橋比的死區時間;具有14路的10位ADC轉換器及定時器模塊等[4]。在該系統中，采樣光伏陣列的輸出電壓 Up和輸出電流Ip，以及蓄電池的充電電壓Ub和充電電流Ib。利用單片機內部定時器模塊的定時器中斷服務子程序計算出Up和Ip的乘積，找到最大功率點所對應的電壓UPR。利用單片機中捕獲比較單元的定時器中斷，完成由Up和Ub構成的電壓環的計算，得到占空比D，通過PWM模塊輸出，驅動功率開關管S，并根據Ub和Ib完成充放電的管理和監護。

充電過程中，蓄電池的溫度[5]是一個很重要的參數。因此充電器中蓄電池溫度檢測是必須的。本充電器的溫度信號直接送入單片機的模擬信號接口，使單片機根據不同的環境溫度自動調整充電過程中的各轉換電壓值，進行優化充電。

2 最大功率點跟蹤

光伏系統最大功率點跟蹤方法很多[6-11]，目前比較常見的方法有恒壓追蹤法、擾動觀察法和電導增量法等，由于擾動觀察法只需獲得電壓及電流參數，算法簡單、易于實現，故本系統中采用的是擾動觀察法。

充電器的控制對象為Boost變換器的輸入電壓UP，通過MPPT算法，調節DC/DC變換器PWM波的占空比，達到最優的阻尼匹配，找到UPR，并通過數字PI算法使光伏電池輸出功率達到最大值。光伏系統輸出功率P和PWM占空比D的關系見圖3[12]。

擾動觀察法是通過改變Up，并給予一定的擾動，實時地采樣Up和Ip，計算出它們的乘積，得到光伏電池此刻的輸出功率Pk，將其與上一采樣時刻的功率Pk－1相比較，若大于上一時刻的功率，維持原來的電壓擾動方向;若小于上一時刻的功率，則改變電壓擾動的方向。這樣確保了Up向著使輸出功率增大的方向變化，從而實現MPPT?；贐oost電路的擾動觀察法算法流程如圖4所示。

圖4 基于Boost電路的擾動觀察法算法流程圖

3 優化充電的控制策略

在光伏發電系統中，蓄電池的充放電控制技術會直接影響系統的性能。充電控制方法一方面影響到蓄電池荷電量的大小;另一方面關系到其使用壽命。對鉛酸蓄電池的充電有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電等方法，由于在獨立光伏系統中，蓄電池的壽命直接決定了系統的壽命，所以不能簡單地使用恒流充電或者恒壓充電，必須對蓄電池的充電進行更好的控制和保護[13-14]，為此提出優化的三階段充電策略。

三段式充電法的恒流充電電流Ibs，恒流到恒壓的轉換電壓是57.2 V，浮充充電電壓是54.4 V。本充電器主程序流程圖如圖5所示。

圖5 充電器主程序流程圖

接通電源后，充電器在單片機的控制下進行初始化(包括蓄電池安時數、充電電流倍數值設定)和讀取蓄電池的充電電壓Ub和電流Ib。充電器充電過程分為涓流短時充電、恒流充電、恒壓均衡充電和浮充充電4個階段。

3.1 涓流短時充電

涓流短時，充電用于蓄電池在充電初期已處于深度放電的情況，以穩定的0.1C小電流涓流充電有利于激活蓄電池內的反應物質，避免大電流充電對蓄電池造成損害，此階段由單片機啟動定時電路控制。

3.2 恒流充電階段

恒流充電階段，蓄電池的荷電狀態比較低，蓄電池采用比較大的恒定電流充電。但如果陽光不充足，光伏電池最大輸出功率小于設定恒流充電值Ibs時，蓄電池吸收的功率則會出現不能維持設定充電電流的情況。光伏電池所能提供的最大充電電流小于Ibs，這時無論如何調整占空比D，都不能維持蓄電池的充電電流為Ibs，誤差長期存在。同時，由于PI恒流充電算法中積分環節對誤差的累積作用，會使DC/DC變換器的占空比逐漸趨于極限值，而該極限值一般不對應最大功率點時的占空比D，從而導致充電效率降低。Ib－D的關系曲線如圖6所示[15]。

圖6 Ib－D關系曲線

在這種情況下，為了提高充電效率，比較合理的方案是優化恒流充電方案，PI恒流充電算法與MPPT充電算法結合，這樣才能以最接近Ibs的電流為蓄電池充電。而算法需要考慮的重要問題是PI恒流充電算法與MPPT充電算法之間的切換判據。如圖3所示，最大功率點M的明顯特征是dP/dD發生變號。如果設定初始工作點在最大功率點左側，PI恒流充電和MPPT充電之間的切換判據為Ib＞Ibs且dP/dD＞0時，則一定會存在PI恒流充電的穩定工作點，MPPT充電切換為PI恒流充電;當Ib＜Ibs且dP/dD＜0時，PI恒流充電切換為MPPT充電。由于切換是在dP/dD剛剛發生變號時進行的，因此，切換點非?？拷畲蠊β庶cM;如果希望系統工作在最大功率點右側，則判據應改為，當Ib＞Ibs且dP/dD＜0時，MPPT切換為PI恒流充電;當Ib＜Ibs且dP/dD＞0時，PI恒流充電切換為MPPT充電。MPPT與PI程序流程圖如圖6所示。

圖6 MPPI與PI程序流程圖

3.3 恒壓充電階段

當端電壓上升至恒壓均衡充電的電壓轉換值57.2 V時，轉入恒壓均衡充電階段，蓄電池容量繼續快速恢復。與恒流充電情況類似，同樣會出現日照不足時不能維持給定電壓的情況，也需要從PI恒壓充電算法切換為MPPT充電。切換判據與恒流充電類似，只是控制對象換為充電電壓，即PI恒壓充電切換為MPPT的判據為充電電壓 Ub＜UPS，且 dP/dD＜0;MPPT切換為PI恒壓充電的判據為Ub＞UPS且dP/dD＞0。本階段結束的判定依據是蓄電池端電壓產生負增量或充電電流逐漸減小降至小于1 A。

3.4 浮 充

滿足判定條件后轉入54.4 V的浮充充電階段，該階段用來補充蓄電池自放電所消耗的能量，由于浮充充電算法與恒壓充電算法類似，只是電壓設定值不同，因此兩者判據一致，不再贅述。經過定時控制后，充電過程結束。另外，充電過程中充電器隨時檢測蓄電池的溫度，溫度過高時，即使蓄電池進入浮充充電狀態。

4 實驗結果

將8塊12 V 100 A·h的電池分成兩組，4塊串聯為一組，分別對它們進行充電實驗。第一組采用無MPPT充電方式;第二組采用有MPPT充電方式。表1實驗數據顯示:在同等條件下，接入MPPT裝置后，蓄電池的充電電流比無MPPT裝置情況下充電電流要高，蓄電池所接受的功率有了一定的提高，達到了預期目的。表2實驗數據顯示出有MPPT充電器充電時測得的充電器的電壓、電流及效率數據，可以看出，充電器平均效率η≈91.5%。

表1 有MPPT和無MPPT充電器充電電流比較表

表2 有MPPT充電器充電效率表

5 結語

在研究獨立光伏系統特點的基礎上，分析了基于PI算法的三段式充電方法的失敗原因，提出了MPPT與三段式充電相結合的充電策略，充電過程以三階段充電為基準，采用分段設定參考電壓的方式實現對電池狀態的判斷。實驗驗證了獨立運行太陽能光伏轉換系統中MPPT充電器的可行性，充電策略能充分利用太陽能，提高蓄電池的充電效率。

[1] 歐陽名三.獨立光伏系統中蓄電池管理的研究[D].安徽:合肥工業大學，2004.

[2] 萬 軍，胡長生.應用于光伏系統的升壓變換電源研究[J].電源技術，2010，34(10):1060-1061.WAN Jun，HU Chang-sheng.Development of boosting inverter for photovoltaic system[J].Chinese Journal of Power Sources，2010，34(10):1060-1061.

[3] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社，2009.

[4] 吳志紅，朱 元，王光宇.英飛凌16位單片機XC164CS的原理與基礎應用[M].上海:同濟大學出版社，2006.

[5] 管熊俊.VRLA蓄電池的熱失控[J].蓄電池，2005(4):165-167.GUAN Xiong-jun.The thermal runaway of VRLA batteries[J].Chinese LABAT Man，2005(4):165-167.

[6] 劉建軍，白建民，郭 偉，等.改進的差異演化算法在MPPT擾動觀察法中的研究[J].電源技術，2012，36(1):102-103.LIU Jian-jun， BAI Jian-ming， GUO Wei， et al. Research of improved differential evolution algorithm in MPPT perturbation and observation method [J].Chinese Journal of Power Sources，2012，36(1):102-103.

[7] 邵衛超，朱 凌.基于Matlab的光伏電池陣列MPPT仿真研究[J].電源技術，2012，36(2):209-211.SHAO Wei-chao，ZHU Ling.Study on photovoltaic array and MPPT simulation model based on Matlab[J].Chinese Journal of Power Sources，2012，36(2):209-211.

[8] 粟 梅，李黎明，孫 堯，等.獨立光伏系統用蓄電池充放電策略的設計[J].蓄電池，2011，48(3):127-139.SU Mei，LI Li-ming，SONG Yao，et al.The design of battery charge/discharge control strategy in stand-alone photovoltaic systems[J].Chinese LABAT Man，2011，48(3):127-139.

[9] 周 林，武 劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術，2008，34(6):1145-1154.ZHOU Lin，WU Jian，LI Qiu-hua，et al.Survey of maximum power point tracking techniques for photovoltaic array[J].High Voltage Engineering，2008，34(6):1145-1154.

[10] 嚴衛州，潘俊民.基于MPPT的太陽能光伏充電控制器研究[J].電工技術，2009(3):85-86.YAN Wei-zhou，PAN Jun-ming.Study on photovoltaic charging controller based on MPPT[J].Electric Engineering，2009(3):85-86.

[11] 吳理博，趙爭鳴，劉建政，等.獨立光伏照明系統中的能量管理控制[J].中國電機工程學報，2005，25(22):68-72.WU Li-bo，ZHAO Zheng-ming，LIU Jian-zheng，et al.A novel energe management and control for stand-alone photovoltaic lighting system[J].Proceedings of the CSEE，2005，25(22):68-72.

[12] 喬興宏，吳必軍，王坤林，等.基于模糊控制的光伏發電系統MPPT[J].可再生能源，2008，26(5):13-16.QIAO Xing-hong，WU Bi-jun，WANG Kong-lin，et al.Maximum power point tracking by using fuzzy control combined with PID for photovoltaic energy generation system [J].Renewable Energy Resources，2008，26(5):13-16.

[13] 陳 海，晁 勤，戴訓江.獨立光伏發電系統充放電控制策策略[J].可再生能源，2009，27(3):7-10.CHEN Hai，CHAO Qin，DAI Xun-jiang.Independent photovoltaic power generation system charge and discharge control tactic[J].Renewable Energy Resources，2009，27(3):7-10.

[14] 史云鵬，王瑩瑩，李培芳.光伏系統中蓄電池充放電控制方案的探討[J].太陽能學報，2005，26(1):86-89.SHI Yun-peng，WANGYing-ying，LI Pei-fang.An approach on control of the lead-acid rechargeable battery in PV systems[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2005，26(1):86-89.

[15] 蔡曉峰，張鴻博，黃 偉，等.獨立光伏系統蓄電池優化三段式充電策略研究[J].自動化儀表，2012，33(5):67-69.CAI Xiao-fen，ZHANG Hong-bo，HUANG Wei，et al.Research on the Optimized 3-stage Charging Strategy for the Storage Battery in Stand-alone Photovoltaic System Process[J]. Automation Instrumentation，2012，33(5):67-69.