基于MPPT的太陽能充放電控制器的研究和設計

付華良，劉艷云，王一凡

(常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州，213164)

基于MPPT的太陽能充放電控制器的研究和設計

付華良，劉艷云，王一凡

(常州紡織服裝職業技術學院，江蘇常州，213164)

文章設計出了一種基于單片機的太陽能充放電控制器，提高了MPPT效率，并能實時監控蓄電池充放電狀態。延長蓄電池壽命，節約了系統成本。

MPPT；充放電控制器；蓄電池；擾動觀察法

1 太陽能電池的等價回路及特性曲線分析

太陽能電池板等價回路如圖1所示，其解析公式為：

其中，I為太陽能電池輸出電路，V為輸出電路，為光生電流，為二極管飽和電流，q為電子電荷量（1.6× 10?19C，Rs為電池并聯電阻，n為二極管特性因子，k為波爾茲曼常數，T為太陽能電池溫度，Rsh為太陽電池并聯電阻。

圖1 太陽能電池等價電路

由伏安特性可知，變化的溫度對太陽能電池的開路電壓影響較大，而光照強度的變化對太陽能電池的短路電流影響較大。

2 MPPT算法分析

根據以上分析，太陽能電池在某一個相對穩定的環境下，有最大功率輸出點，一般情況下，太陽能電池并沒有一直工作在這個點，因此輸出效率也很低，為了能夠充分利用太陽能電池板，對光伏系統的最大功率跟蹤就是必不可少的。

擾動觀察法（P&O）結構簡單，需要檢測的參數少，對傳感器精度要求低，應用較廣泛。其思路如下：控制器在每個控制周期內都用一個固定干擾步長去改變電池板的輸出電壓和電流，同時實時采樣改變步長前與改變步長后太陽能電池板輸出的電壓和電流值，并計算出功率值，比較改變前后功率變化值，假設用改變后的功率減去改變前的功率得到的ΔP>0，則說明改變步長的方向正確，下一個周期繼續按原方向進行擾動；反之，如果ΔP<0，那么說明擾動是背離最大功率點，下一個周期則應該改變步長的擾動方向，直至找到最大點。采用固定步長ΔU的P&O算法，在遠離最大功率點時會產生較大誤差，同時會導致在MPP附近產生大幅震蕩，能量損失嚴重。

本文采用可變步長的P&OMPP控制，當dP/dU>0，位于最大功率點左側；當dP/dU=0，位于最大功率點；當dP/dU<0，位于最大功率點右側。無功系統工作最大功率點的左側還是右側，當端電壓逐漸接近最大功率點電壓時，均單調遞減，當系統工作在最大功率點時，dP/dU等于零。dP/dU的正負以及大小可以反映系統偏離最大功率點的方向和大小，基于上述特性，定義電壓擾動的表達式為Usetk=Usetk-1+α×(ΔP/ΔU)，其中α為步長調整因子，為正數，α的整定值不宜過大，其值應滿足。對于上述可變步長的控制策略，當系統偏離最大功率點較大的時候，dP/dU也較大，跟蹤的調整步長也較大；而當系統偏離最大功率點較小時，dP/dU也較小，提高了MPPT的跟蹤精度。該算法的流程：首先采集當前UK、IK，并計算上一個時刻(k-1)采集的電壓和功率和當前時刻(k)采集的數據的變化量ΔU和ΔP，當ΔU足夠小的時候，可以用ΔP/ ΔU代替dP/dU，判斷ΔP/ΔU，如果為零，說明工作在最大功率點，否則調整步長Usetk，直至工作在最大功率點處。

3 蓄電池充電方法分析

鉛酸蓄電池的充電方法本文采用三階段充電方法，首先對蓄電池采用恒流充電方式，在電池充電至80%-90%容量后，轉為浮充（恒壓充電）模式，為防止可能出現的蓄電池充電不足，最后再加上涓流充電，使已基本充足電的蓄電池極板內部較多的活性物質參加化學反應，充電較徹底，這一階段的充電電壓比恒壓階段的電壓要低。

本文選用的太陽能電池開路電壓為21.6V，最大功率100W，最大功率點的電壓為18.17V，電流為5.51A；鉛酸蓄電池為12V100AH。系統工作時自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓，若高于蓄電池電壓，則可開啟充電；若低于蓄電池電壓，則不能開啟充電；當蓄電池處于浮充狀態時電壓控制在13.7V，當蓄電池電壓低于10.8V時，自動關斷負載，當蓄電池電壓高于14.8V時，自動關斷負載，當從高于14.8V回落到14.7V時自動接通負載。

4 系統硬件設計

4.1 DC/DC電路拓撲結構分析

實現MPPT的電路通常采用斬波器來完成直流/直流變換，斬波器電路分為降壓型變換器（buck）和升壓型變壓器（Boost）。由前面的描述可知，本文的太陽能電池最大功率點電壓大于蓄電池電壓，所以選擇buck型電路，其工作原理是使用PWM方法控制功率管Q的占空比，對電路輸入電壓進行調節，使太陽能電池內阻和負載進行阻抗匹配，從而使系統始終工作在最大功率點。其中開關管Q選用電壓驅動型MOSFET，該開關器件驅動電路簡單，開關損耗小；續流二極管D2選用肖特基二極管，滿足開關器件高頻率通斷要求；濾波電感L和儲能電容C2組成低通濾波器，可以消除由于開關器件高速通斷帶來的高次諧波干擾。

4.2 系統總體框圖

系統總體設計框圖包括控制器，采樣電路、驅動電路等。控制器采用STC12C5204AD單片機為核心控制器件，主控芯片功能包括A/D采樣、MPPT算法、充放電控制、PWM脈沖產生即驅動電路。通過太陽能電池電壓電流采集模塊采集電壓電流進行MPPT算法，進而產生PWM信號驅動Buck變換電路的開關器件，使太陽能電池工作在最大功率點；通過采集蓄電池的電壓信號，決定是向蓄電池充電還是蓄電池向負載放電，充電時采用三階段充電法。蓄電池在使用過程中要避免過放，當臨近放電終了，應立即停止放電，否則將給蓄電池帶來不可逆轉的損害。控制器通過控制MOS管Q2的開關，保護蓄電池過放。

4.3 采樣電路設計

采樣電路包括電池板的電壓和電流采樣以及溫度檢測。電壓采樣采用分壓的方式實現，將實際電壓經過1%精密電阻按比例進行衰減，將分壓后的電壓值輸入到單片機AD通道進行檢測。本系統在使用過程中，必須對蓄電池進行溫度補償，溫度補償主要是通過溫敏電阻來釆樣蓄電池工作環境中的溫度，然后通過軟件對蓄電池的電壓進行相應的補償。

5 系統軟件設計

軟件使用C語言編程，主程序框圖如圖2所示。系統工作時，首先初始化，然后采集環境溫度，根據溫度判斷是否進行溫度補償，檢測蓄電池電壓來判斷進入相應的充電子程序；檢測太陽能電池的電壓和電流，進入MPPT算法，判斷直至找到最大功率點。

圖2 MPPT主程序框圖

6 實驗結果

表1中為MPPT控制器的輸出電壓Vin、Iin和輸出功率的實驗記錄，光照強度主要影響太陽能電池板的輸出電流。本控制器使用的變步長的擾動觀察法算法能實現最大功率點追蹤，提高了太陽能電池的使用效率。

表1 太陽能電池輸出

7 結論

本文使用的變步長的擾動觀察法算法，能準確實現MPPT，提高系統的使用效率；同時設計的充放電控制器，能有效的控制太陽能電池板對蓄電池的充電，并保護蓄電池過放，延長了蓄電池的使用壽命，節省了系統成本。

[1]李安定、呂全亞，太陽能光伏發電系統工程[M].北京：化學工業出版社，2015.

[2]Al-Diab A ,Sourkounis C. Variable step size P&O MPPT algorithm for PV systems[A].Optimization Electrical and Electronic Equipment(OPTIM),2010 International conference on[c].IEEE,2010:1097-1102.

Research and Design on MPPT Algorithm Solar Charging and Discharging controller

Fu Hualiang，Liu Yanyun, Wang Yifan
(Chang Zhou Textile Garment Institute,Changzhou Jiangsu,213164 )

This paper design a kind of solar charging and discharging controller based on MCU. And it can evaluate state of battery and reduce the cost of the system.

MPPT;Charging and Discharging controller; battery; Perturb and Observer(P &O)method

付華良（1984-），山東德州人，講師，碩士，主要研究方向為電子與通信工程、電氣自動化技術。

2013常州紡院學術科研基金項目——微型家用智能光伏發電小系統的設計（編號CFK201309）。

劉艷云（1979-），河北保定人，副教授。

王一凡( 1977-)，男，漢族，江蘇常州人，副教授，研究方向為機電一體化技術、電氣自動化技術。