三相交錯并聯同步Buck的光伏充電控制器*

杜旭冉，鮑建宇

(1.太原科技大學，太原 030024；2.浙江大學)

* 基金項目：寧波市工業擇優委項目(2011B1002)。

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杜旭冉1，鮑建宇2

(1.太原科技大學，太原 030024；2.浙江大學)

* 基金項目：寧波市工業擇優委項目(2011B1002)。

摘要:針對光伏發電系統中太陽能電池利率低、蓄電池常因充電不當而損壞的問題，分析了光伏電池的輸出特性和蓄電池的充電特性。設計了一個具有最大功率點跟蹤(MPPT)的光伏充電控制器系統，并搭建了硬件平臺。該系統以dsPIC33F16GS502為主控MCU，采用三相交錯并聯同步Buck電路為充電主電路。軟件編程采用4階段充電策略對蓄電池進行充電控制，實現了蓄電池在MPPT、恒流、恒壓不同充電方式之間的智能切換。其中恒流恒壓充電階段采用了PI算法，快充階段使用了基于改進的擾動觀察法和電導增量法相結合的算法。實驗結果表明，最大功率點跟蹤能快速跟蹤外界環境的變化，并穩定在最大功率點，提高了光伏電池的使用效率，保護了蓄電池，延長了蓄電池的使用壽命。

關鍵詞:光伏發電；MPPT；三相交錯并聯同步Buck；dsPIC33FJ16GS502

引言

隨著當今世界能源危機和環境污染的日益嚴重，太陽能作為一種新型的綠色可再生資源受到越來越廣泛的重視，但是太陽能電池陣列由于受到光照強度、環境溫度、負載的影響，輸出電壓和電流不斷變化。為了充分利用太陽能，最大程度地提高光伏電池的轉換效率，必須采取措施對光伏電池的輸出功率加以控制，保證工作在最大功率點。

目前常用的最大功率跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tracking)控制方法主要有恒壓法、擾動觀察法[1]、電導增量法[2]、模糊邏輯控制法[3]等。本文在分析傳統MPPT算法缺點的基礎上，提出了一種改進的擾動觀察法和增量電導法相結合的新型的MPPT算法。研究了高效率三相交錯并聯同步Buck整流技術，設計了一個太陽能智能充電控制器系統，不斷采集光伏電池電壓、電流、蓄電池端電壓、電流。根據蓄電池端電壓的高低按涓充、快充、過充和浮充4階段進行充電控制，以實現蓄電池在不同充電方式之間的智能切換和能量管理。研究結果表明，該控制器在充分利用太陽能的同時兼顧了蓄電池本身的充電特性，具有較高的工作效率。

1系統簡介及工作原理

光伏發電是利用太陽能電池將太陽光輻射能量轉化為電能的直接發電方式。太陽能充電控制器系統主要包括太陽能電池板、DC-DC變換器、蓄電池、dsPIC33FJ16GS502控制電路、驅動電路以及采樣電路等。系統框圖如圖1所示。

圖1　太陽能光伏發電系統框圖

系統運行原理如下：在太陽光的照射下,太陽能電池利用光生伏打效應產生電能。dsPIC33FJ16GS502控制電路是整個系統的核心,通過采樣電路采集光伏電壓Upv、光伏電流Ipv、蓄電池電壓Ubat、蓄電池充電電流Ibat,以此判斷蓄電池所處的充電狀態,根據不同的充電狀態，采用相應的充電算法控制PWM波的占空比，經過驅動電路調節同步BUCK電路功率管的占空比，對蓄電池進行充電。

1.1三相交錯并聯同步整流Buck變換器

DC-DC變換器采用的是三相交錯并聯同步Buck拓撲。 三相交錯并聯是指三相Buck電路并聯且相互交錯工作，工作時每路同頻率不同相位，各相兩兩相差120°，開關管交替工作，降低了器件功率損耗。當電源裝置的輸出功率較大時，采用多個變換器并聯，交錯并聯技術很大程度上減小了流過每一個導通電路中的電流，降低了開關的損耗和輸出總電流紋波。電感和電容參數取值相應的減小使得電路體積變小、重量減輕、功率密度則變大。在電壓低、負載電流很大的情況下，同步Buck變換器的整流效率要比異步Buck變換器的整流效率來高，因為此時電流比較大。導通功耗起主要的作用，續流二極管的損耗相對較大，本文采用導通電阻較小的MOSFET來代替二極管采用同步整流技術，以防止開關管同時導通或者中間留有一定的死區。

1.2光伏電池輸出特性

100W光伏電池在標準測試條件下的典型輸出特性曲線如圖2所示。光伏電池既非恒壓源又非恒流源，其P/U曲線是一個單峰值曲線，輸出功率隨輸出電壓的變化而變化，中間存在一個最大值點，即最大功率點(MPP)。

圖2　太陽能特性曲線

2硬件設計

2.1主電路設計

主電路采用三相交錯并聯同步Buck電路拓撲,如圖3所示。

圖3　主電路原理圖

圖3為主電路原理圖，圖中Q1、Q2、L1組成一路Buck電路，同理Q3、Q4、L2為第二路單獨的Buck電路，第三路Buck由Q5、Q6、L3組成。3路同步Buck采用并聯的方式接入電路，用于實現電路降壓目的，其中L1、L2、L3為150 μH,功率管采用IRFB4321，開關頻率為100 kHz。輸入電容C1=330 μF,有兩個作用：一是使太陽能電池輸出電流保持連續，二是在恒流充電時為電感提供紋波能量。輸出電容C2=470 μF,主要作用是恒流充電時，吸收電感電流紋波。

2.2控制電路設計

控制電路主要由dsPIC33FJ16GS502的最小系統組成，包括復位電路、晶振電路、供電電源電路、下載調試電路，及相應的信號輸出/輸入接口。

為了使dsPIC33FJ16GS502最小系統正常工作，采用3.3 V供電方式，由LM5022構成的升壓降壓電路可以將輸入電壓轉換為12 V輸出，然后由LM2734Y轉換為5 V,ASM1117把5 V最終轉換為3.3 V給單片機供電。

下載調試電路采用微芯公司集成仿真器ICD3,ICSP是單片機的在線串行編程接口，通過接單片機引腳PGEC和PGED引腳實現。控制器電路總體硬件框圖如圖4所示。

圖4　控制器總體硬件框圖

2.3驅動電路設計

圖5為MOS管的專用芯片驅動，由二極管電容和IR2181推挽式驅動器組成，每一組MOS管需要一組同樣的驅動器來進行驅動，圖5中僅為單路Buck電路的專用驅動器。IR2181推挽式驅動器具有電壓高、放大率高的MOS場效應管和帶有獨立的推挽放大器，工作方式為自舉，門驅動器的供電范圍為10～20 V。圖中HO口向MOS管發送高電平，LO口向MOS管發送低電平，形成互補。

圖5　驅動電路圖

3軟件設計

圖6　主程序流程圖

軟件設計包括采樣處理、控制算法、蓄電池充電管理和PWM驅動輸出。系統主程序流程圖如圖6所示。

3.1主程序設計

系統上電后首先關閉看門狗，初始化程序完成PLL、A/D轉換器、PWM以及其他中斷的初始化，判斷充電條件，然后通過定時中斷、采樣中斷及各個功能實現子程序完成系統的MPPT、蓄電池充電管理等。

3.2充電控制策略

好的充電策略是提高系統效率和可靠性的有效手段，本文采用了4階段充電法。

階段1：蓄電池電壓 UBAT小于 11 V。此時，蓄電池已深度放電，為延長蓄電使用的池使用壽命，采用MPPT和恒流相結合的充電方式對蓄電池充電。如果光照不夠強，充電電流很有可能小于0.5 A，采用 MPPT 方式充電，而如果光照足夠強，則采用恒定電流控制，使充電電流恒定為0.5 A。

階段2：蓄電池電壓UBAT大于 11 V 但小于 14.5 V。在這個階段，采用 MPPT 方式對蓄電池充電，充電電流較大且不斷變化，是蓄電池的主充電階段。

階段3：恒壓限流充電。該階段充電值恒為14.5 V,隨著蓄電池內部的電化學反應的進行，充電電流逐漸減小，當充電電流下降到約0.01 C時，終止恒壓充電，進入浮充階段。

階段4：浮充電。以一個略小于恒壓充電的電壓對蓄電池充電，此階段主要用來補充蓄電池自放電所消耗的損失，標志著充電過程的結束。

上面使用的 11 V 和 14.5 V 是典型 12 V 鉛酸蓄電池的特性參數，基于它們可以定義各個充電階段的臨界值。充電流程圖如圖7所示。

圖7　改進的四階段充電流程圖

3.3MPPT算法設計

常用的MPPT算法中,使用較多的是擾動觀察法和電導增量法。本文采用改進的擾動觀察法和電導增量法相結合的方式，太陽能電池的短路電流和外界光強之間近似的成比例關系，光強越強短路電流越大，反之越小。因此通過判斷工作點的電流就可以判斷出當時的光強強度。通過這種方法可以根據光強的強弱來采用不同的控制策略,當光強達到一定強度時候采用增量電導法,當光強較弱時候采用改進的擾動觀察算法[4]。

改進的擾動觀察法如下：當光伏電池的輸出功率變化量較大時，選取較大的擾動量，有利于快速跟蹤到算法的MPPT點附近，此時功率的變化量較小，再利用小擾動量保證算法的精度，減小能量損耗。具體措施為：對每次擾動后的輸出功率變化量進行判斷，如果功率變化量大于某規定的值，則采用大步長擾動，否則采用小步長擾動，定義該值為算法的閾值Pth。

4實驗結果

4.1系統硬件平臺實物圖

系統的硬件平臺主要包括MPPT太陽能控制器、太陽能電池板、鉛酸蓄電池以及其他調試設備，如圖8所示。

圖8　系統硬件實驗平臺

光伏電池的額定功率為100 W,開路電壓22.12 V，短路電流為5.6 A,待充的蓄電池為12 V鉛酸蓄電池，三相同步整流BUCK為電流連續工作模式(CCM)。

4.2蓄電池充電整個過程的實驗曲線圖

圖9為12 V蓄電池充電過程中電壓U和電流I的變化曲線。充電初期使用MPPT和恒流相結合的充電方式，當蓄電池電壓升高到10.9 V后，用最大功率對蓄電池充電，直到蓄電池電壓為14.4 V時轉為恒壓充電，充電電流逐漸減小，當為0.1 A時轉為浮充，浮充電壓為13.8 V。由圖9可知，該光伏充電系統實現了對蓄電池的4階段充電。

圖9　蓄電池充電曲線

4.3轉換效率

系統工作于MPPT階段時的電壓電流效率數據如表1所列。

表1　MPPT充電階段的轉換效率

從表1中可以看出，5組實驗數據比較接近，三相交錯并聯同步Buck充電器的平均效率可達97.29%。

結語

該實驗驗證了基于三相交錯并聯同步Buck的太陽能充電控制方案的可行性。該方案在充分利用太陽能電池的同時，滿足了蓄電池的充電特性，實現了4種充電方式之間的全自動智能切換和能量管理。在充電過程中融入了基于改進的擾動觀察法和電導增量法的MPPT算法，能快速響應外界環境的變化，取得了良好的效果，同時保護了蓄電池，延長了蓄電池的使用壽命。

參考文獻

[1] 劉莉，張彥敏.一種擾動觀察法在光伏發電MPPT中的應用[J].電源技術，2010,134(2)：186-189.

[2] PAN Iun, WANC Cheng-hua, HONG Feng.Research of photovoltaic charging system with maximum power point tracking[C]//The ninth International Conference on Elec-tronic Measurement & Instruments, Beijing,2009.

[3] 楊自娟.基于模糊控制的太陽能MPPT充電器的研究與實現[D].廣州：華南理工大學電力學院，2010.

[4] 張永輝.MPPT太陽能控制器設計[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

杜旭冉(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式控制系統及應用；鮑建宇(博士)，主要研究方向為電力電子技術。

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Du Xuran1,Bao Jianyu2

(1.Taiyuan University of Science and Technology,Taiyuan 030024,China;2.Zhejiang University)

Abstract：Aiming at the problems of under utilization of photovoltaic panels and damage of batteries caused by misuse in photovoltaic power generation system,a photovoltaic charging controller with maximum power point tracking is designed after analyzing the photovoltaic panel output characteristics and charging characteristics.The system takes the dsPIC33F16GS502 as the core,and adopts three-phase interleaved synchronous Buck circuit as its main charging circuit.The four-stage charging method is used to control the battery charging,and the intelligent switch between MPPT,constant current and constant voltage is achieved using the software program.The experimental results indicate that the system can track the maximum power point quickly,the efficiency of PV array can be improved,the life span of the battery can be prolonged.

Key words:photovoltaic charging;MPPT;three-phase interleaved synchronous Buck;dsPIC33FJ16GS502

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-07-01)

中圖分類號:TP17

文獻標識碼:A