基于太陽能光伏發電系統的直流電源分析與設計

王秀敏，姜利亭，熊日輝，單 良，許建炳（．中國計量學院信息工程學院，浙江杭州3008；．杭州寇古科技有限公司，浙江杭州300）

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基于太陽能光伏發電系統的直流電源分析與設計

王秀敏1，姜利亭1，熊日輝1，單 良1，許建炳2
（1．中國計量學院信息工程學院，浙江杭州310018；2．杭州寇古科技有限公司，浙江杭州311100）

摘 要：為解決獨立光伏發電系統中太陽能轉換效率低、蓄電池使用壽命短等問題，將最大功率點跟蹤技術（MPPT）和蓄電池優化充放電控制策略應用到太陽能充電系統中．同時，應用以TL494為核心的推挽升壓電路，降低系統對太陽光的依賴性，在沒有太陽光時，系統由儲存的蓄電池能量通過升壓電路給負載供電．據此設計了一種以Atmega 88單片機為核心，由DC－DC充電變換器和蓄電池升壓電路組成的直流電源．實驗結果表明，采用MPPT充電方式可以實現對蓄電池充放電的優化管理，其平均充電效率達到了91．24%，延長了蓄電池的使用壽命，且推挽升壓電路性能穩定可靠．

關 鍵 詞：太陽能；MPPT；蓄電池充放電；優化管理；推挽升壓電路

WANG Xiumin1，JIANG Liting1，XIONG Rihui1，SHAN Liang1，XU Jianbing2（1．College of Information Engineering，China Jiliang University，Hangzhou310018，China；2．Hangzhou Kogoole Technology Co．，Ltd，Hangzhou311100，China）

0 引 言

太陽能作為一種綠色生態能源，具有高效、無污染、不受地域限制等優點．對于光伏發電系統來說，光伏陣列是其核心．由于光伏陣列的伏安特性易受光照、溫度等的影響，具有強烈的非線性性，易造成太陽能電池與輸出負載之間的不匹配，從而降低太陽能的轉化利用效率．最大功率點跟蹤控制技術是提高太陽能電池轉換效率的有效方法［1－2］．此外，鉛酸蓄電池作為能源存儲模塊系統中最薄弱的環節之一，充電方法的好壞將影響其使用壽命［3－4］．本文以Atmega 88單片機為控制核心，采用Buck拓撲結構的充電電路將太陽能電池組件的MPPT與蓄電池的三段充電法結合起來，實現系統能量的最大化利用并延長蓄電池的使用壽命．同時為了降低系統對太陽光的依賴性，設計了以TL494為核心的推挽升壓電路，在沒有太陽光時，將光伏發電系統給蓄電池充電儲存的能量通過升壓電路給負載供電．最后設計了一款300W的直流電源樣機，經驗證系統運行穩定，表明所設計的方案合理有效．

1 系統組成

本文設計的太陽能直流電源系統如圖1所示，包括太陽能電池PV、PWM驅動電路（DC－DC）、蓄電池、電池電流檢測電路、TL494升壓電路和Atmega 88單片機控制電路．采用Atmega 88作為系統控制中心，充分利用了該單片機系統高精度和豐富指令集等優良性能．R1、R2構成太陽能電池輸出電壓采樣電阻，送至U1的B端．U2A為雙運算放大器MCP6V02，用于放大太陽能電池輸出電流采樣信號，并送至U1的A端．R3、R4構成蓄電池電壓采樣電阻，并送至U1的D端．U2B為雙運算放大器MCP6V02，用于放大蓄電池電流采樣信號，并送至U1的C端．7805穩壓電路為U1和U2提供工作電源．當有光照時，光伏發電系統在給蓄電池充電的同時，通過TL494升壓電路產生220V直流電壓供直流負載工作［5－6］．當沒有光照時，單片機系統通過控制推挽升壓電路將蓄電池儲存的能量直接升壓以獲得負載正常工作所需電壓．單片機系統根據不同狀態時采樣的電壓和電流信號，通過軟件控制PWM驅動電路產生不同頻率的PWM波，由U1 的E端口輸出．系統中的DC－DC變換驅動電路，通過調節控制Buck降壓電路中功率開關管的導通占空比來調節Buck降壓電路的等效電阻，使得負載的等效電阻阻值隨光伏電池的輸出阻抗變化．變換后的工作點正好和光伏陣列的最大功率點重合，實現MPPT功能［7］．同時以相應的占空比控制蓄電池不同的充電方式，具有優化管理蓄電池充電方法的功能，延長蓄電池的使用壽命．推挽電路由于具有控制簡單、輸出功率較大等優點被廣泛應用于DC－DC變換器［8］．TL494是一種固定頻率脈沖寬度的調制電路，包含了開關電源控制所需的全部功能，廣泛應用于單端正激式、半橋式以及全橋式開關電源．

圖1　系統組成電路框圖Fig．1 Diagram of system circuit

2 太陽能光伏系統

2．1 MPPT擾動觀察法原理分析

擾動觀察算法簡單且易于實現，只需將獲得的光伏列陣輸出電壓和電流作為MPPT控制算法的輸入量，本文采用擾動觀察法［9］．Atmega 88單片機系統通過R1、R2串聯電阻檢測光伏陣列的輸出電壓和電流值，并計算對應的功率，將其與前一時刻采樣的功率進行比較，如果輸出功率增加，則維持原來的電壓擾動方向，如果功率值減小，則改變電壓擾動方向．在逐點檢測太陽能電池當前輸出電流與電壓值的同時，檢測輸出功率的大小．根據功率的變化情況來調整下一步負載端的參考電壓，使得負載的等效電阻和光伏電池的輸出阻抗達到最優匹配．依據擾動控制算法，單片機軟件給出可調節的PWM脈沖信號，DC－DC驅動電路調節相應的占空比控制開關管的通斷時間．此方法控制變量少、運算速度快，可有效提高MPPT算法的穩定性和可靠性．

2．2 蓄電池充電優化方法分析

獨立光伏發電系統采用光伏陣列對蓄電池充電，鉛酸蓄電池作為能源存儲模塊中最薄弱的環節之一，充電方法的好壞將影響其使用壽命．本文利用Atmega 88單片機軟件控制系統對蓄電池充放電過程進行優化管理．當蓄電池電壓小于13．5V時，系統進入MPPT快充過程，以最大功率給蓄電池充電．在MPPT充電控制過程中，當蓄電池的端電壓在13．5～14．0V時，需要降低充電電流，將MPPT轉化為恒壓充電控制方式．此過程中，隨著蓄電池端電壓充電電動勢的升高，其充電電流將逐漸減小，蓄電池的溫度降低，從而改善了蓄電池的工作條件［10］．在恒壓充電階段后期，蓄電池端電壓在14．0～14．4V，此階段可采取浮壓充電方式，以提高充電效率．

3 推挽升壓電路系統［11］

TL494集成了全部的脈沖寬度調制電路，內置線性鋸齒波振蕩器，其工作頻率僅取決于外接在振蕩器上的定時元件RT和CT的數值，頻率f＝1．1／RTCT；內置5V參考基準電壓源，使用方便；內置功率晶體管，可提供500mA的驅動能；內部有一對誤差放大器，可作為反饋放大器及過電壓保護使用．

圖2為電壓型推挽變換器的主電路，輸出整流二極管的左側是推挽逆變電路，右側是整流、濾波電路．其中L是輸出濾波電感，C是輸出濾波電容．為了減小整流輸出電路的通態損耗，本文采用的是全波整流電路．可以將2個正激變換器組合等效看成是推挽變換器，2個正激變換器的開關管交替導通，其輸出電壓是單個單端正激開關電源輸出電壓的2倍，即U0＝2 N·（Ton／Ts）·Ui．Ui是輸入電池電壓，Ton是開關管Q1或Q2的導通時間，Ts是開關管工作周期．變壓器的初級兩繞組匝數相等N11＝N12，次級兩繞組匝數也相等N12＝N22，N＝N21／N11是變壓器T的匝數比．

圖2　TL494推挽升壓系統拓撲圖Fig．2 TL494－based push－pull booster system topology

本文選用的是東磁EE40骨架，計算得到原邊繞組N11＝2．19，取3匝．則副邊繞組N21＝82．5．

因為蓄電池電壓的理想范圍為Vin＝10～14V，本文設計的輸出電壓值為V0＝220V．由式（1）可知，當Vin＝10 V最小時，占空比D＝Ton／Ts最大．當占空比最大時，工作效率最大，開關管Q1和Q2的功率性能最佳，工作產生的溫度最低，有利于延長產品的使用壽命．選取D＝0．4，則N≈27．5；選取開關頻率fs＝50kHz，則Ts＝20μs，Ton＝0．4 Ts＝8μs．

由式（3）可知，當輸出電壓為220V，最小輸入電壓Vin＝10V，N11＝3時，可以得到變壓器T副邊的匝數N21＝82．5，取80匝．

對于推挽型電路來說，由于變換器的開關管交替導通，在一個周期中有2個0．4占空比的有效值：

本文中設計的負載功率為P0＝300W，當輸入電壓最小時，Vin－min＝10V，則輸出平均電流為46．78A．

由式（5）可知，當輸入電壓Vin＝10V最小時，因為di／dt的斜率為1．25，變壓器T的原邊繞組N11的最小感量值L11為8μH．

4 實驗結果

在陽光充足的條件下，對額定參數為12V／60 Ah的鉛酸蓄電池進行充電實驗，分析其充電控制方案．以Atmega 88為單片機核心的太陽能充電控制系統，可以根據蓄電池所處的工作狀態，在MPPT充電、恒壓充電、浮壓充電3種工作方式之間切換．表1的測試數據顯示，采用MPPT算法充電可以提高太陽能電池的充電效率，平均充電效率可達91．24%．

表1　蓄電池充電過程的實測數據Table 1 Measured data of battery charging process

表2　性能參數比較Table 2 Performance parameters comparison

由表2可知，本文所設計的太陽能升壓控制系統最大MPPT充電效率達到了92．87%，比文獻［12］的最大充電效率90．1%提高了2．77%．采用MPPT算法的平均充電效率達到了91．24%，既充分利用了太陽能資源，又優化了蓄電池充電管理過程，延長了蓄電池的使用壽命．

圖3　推挽電路開關管Q1和Q2驅動波形Fig．3 Switch tubes（Q1and Q2）waveforms of push－pull circuit

圖3所示的是開關管Q1和Q2的驅動方波．1通道代表的是開關管Q1的驅動波形，2通道代表的是開關管Q2的驅動波形．由圖1可知，2個開關管交替導通，Ton＝10μs，Ts＝19．69μs，占空比達到了42．38%，工作頻率為50．78kHz，所測試的數據參數基本上和推挽電路系統設計的理論參數相吻合．實驗測試的2個開關管的驅動波形交替上升，波形比較平滑，瞬態毛刺較少，說明升壓系統的驅動電路工作性能穩定．驅動電路達到了較大的占空比，系統工作轉化效率較高、開關管的工作溫度較低，有利于延長電路的使用壽命．

圖4中1通道顯示的是軟啟動開機瞬間波形，2通道顯示的是振蕩頻率鋸齒波開機瞬間波形．TL494芯片死區時間控制端通過100K電阻接地，并通過1 μF電容和芯片內部基準電壓輸出端連接組成一個軟啟動電路．當12V蓄電池電源剛接通時，由于電容兩端電壓不能突變，基準電壓5V全部加到死區時間控制端上，使其輸出高電平，通過與非門電路使開關電源無輸出．隨著電容電壓逐漸升高，100K電阻兩端電壓逐漸降低，開關管逐漸導通．在輸出端設置分壓電路，通過反饋回路接到芯片的誤差放大器的同向輸入端，成閉環調制，誤差放大器的反向輸入端經過4．7K電阻接到基準電壓源端，若反饋的輸出電壓大于5 V，誤差放大器輸出端電壓增加，晶體管導通時間變短，反饋端電壓保持在5V，穩定了輸出電壓．采用TL494雙端脈沖調制器，內置線性鋸齒波振蕩器，其工作頻率僅取決于外接在振蕩器上的定時元件RT和CT的數值，頻率f＝1．1／（RT（CT））．在本文的電路中，振蕩頻率設置為10kHz．由圖4所示，從軟啟動工作到鋸齒波開始振蕩相差為3．65ms，從而有效提高了控制電路的瞬間安全性能，且電路瞬間響應速度快，實現了電壓的穩定輸出．驗證了推挽升壓系統性能可靠穩定，實驗設計正確．

圖4　軟啟動波形和鋸齒波測試波形Fig．4 Test waveforms of soft start and sawtooth

5 結 論

本文設計的由光伏發電系統和蓄電池升壓系統所組成的供電直流系統，能夠給負載提供穩定、安全的電能．系統在有陽光時對負載提供電能，無陽光時，可以通過儲存的蓄電池升壓電路給負載提供工作電能．以Atmega 88為核心的直流電源，充分利用太陽能資源提高了系統的充電效率，最大MPPT充電效率為92．87%，平均充電效率91．24%．實現了對蓄電池充放電的優化管理，延長了蓄電池壽命，且推挽升壓電路運行穩定，性能可靠．

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Analysis and design of the DC power supply based on solar photovoltaic power systems

Jo urnal of Zhejiang University（Science Edition），2016，43（1）：103－107

Abstract：To solve the problem of independent photovoltaic power system with respect to low energy conversion efficiency and short battery service life，the maximum power point tracking（MPPT）technology and optimization control strategy of battery charging and discharging are adopted to the solar charging system．The designed system uses the TL494as the core of push－pull booster circuit to reduce the reliance on sunlight．It can supply power to load by battery booster circuit when there is no sunlight．The designed DC power supply is composed of DC－DC converter based on Atmega 88microcomputer and battery booster circuit．The results show that the MPPT charging ways can be optimized to manage the charge and discharge process of storage battery．The efficiency of the designed power system is high．The averaged MPPT charging efficiency reaches 91．24%，and the good performance can prolong the service life of battery．The developed push－pull booster system works stably and has reliable operation performance．

Key Words：solar energy；MPPT；battery charge and discharge；optimal management；push－pull booster circuit

作者簡介：王秀敏（1963－），女，教授，碩士，主要從事通信信號處理研究，E－mail：wxm6341＠163．com．

基金項目：國家自然科學基金資助項目（61379027）；國家自然科學青年基金資助項目（51404223）；浙江省自然科學青年基金資助項目（LQ14E060003）．

收稿日期：2015－01－20．

DOI：10．3785／j．issn．1008－9497．2016．01．017

中圖分類號：TM 13

文獻標志碼：A

文章編號：1008－9497（2016）01－103－05