光伏充電系統設計研究

顧瀟，李賀

（1.上海大學，上海 200444；2.國網上海市電力公司浦東供電公司，上海 200122）

太陽能電池在被使用時所輸出的電流、電壓會受到諸多因素的干擾，例如：外界環境狀況、光照強度、負載情況等，原有的恒壓、脈沖等傳統充電方式已經能滿足當前的需要。對光伏充電系統而言，不但可以完成最大功率點的追蹤，又可以有效延長蓄電池的使用壽命。筆者所研究的光伏充電系統是以Cuk 電路為充電主回路，以dsPIC30F5011 單片機為主控制器，以光伏電池電壓電流和蓄電池端電壓、蓄電池溫度以及充電電流為基本檢測目標的；此外，它還按照蓄電池電壓的差異，分為四個作業階段，分別是欠電壓充電、快速充電、過充和浮充。那些被過量使用的蓄電池可以借助涓流進行激活操作，最大功率點可以及時追蹤并體現外界環境的實時變化，從而提升光伏陣列的利用率；過充令蓄電池滿電，而浮充則是為了彌補由于蓄電池自身放電損失掉的電量。

1 系統硬件電路設計

輔助電源、太陽能光伏陣列、蓄電池、核心單片機控制電路、驅動隔離電路、采樣電路、LCD 顯示電路、顯示燈和按鍵電路、保護電路、DC/DC 轉換電路等共同構成了光伏充電系統。

在一個光伏充電系統中，單片機控制電路作為此系統的關鍵，通過采樣電路對光伏電流、電壓，蓄電池電壓、電流及溫度等關鍵參數的采集，進而評估蓄電池的充電狀態。另外，依據不同的充電形態，我們選擇適宜的充電算法控制PWM 的占空比，并且通過驅動隔離功率管對蓄電池完成充電，然后經由SCI 口像LCD 顯示器里傳輸所需的數據信息，使用者就能夠在顯示器當中對光伏電流及電壓、蓄電池電流及電壓、外界環境狀況等重要的系統數據進行查找，同時又可以通過指示燈對系統狀態進行檢測。

其中，輔助電源給驅動隔離電路提供+24V 電源，給采樣電路提供+-12V、+5V 電源，給顯示電路和控制電路分別提供+5V 電源；保護電路給系統提供過電流和過電壓、過熱以及過充保護，從而確保系統的流暢運作；與此同時，軟啟動電路能夠有效減少系統啟動環節中引起的各類沖擊。主回路能夠選用的拓撲包括buck、boost、Cuk 電路等。在這些電路中，boost 電路僅可以完成升壓操作，buck 電路相反只能夠作降壓處理，所以電路缺乏足夠的實用性；即使有些電路可以同時完成升壓與降壓，但是由于電流紋波太大，故也不是非常適用。因此，本文相較之下選擇了Cuk 電路當作光伏試驗系統的主回路。我們主要考慮的是Cuk 電路輸出電壓范圍較大，同時其電路結構也絲毫不煩瑣，在具備連續性電流輸入及輸出功能的同時，又擁有較小的紋波分量，再加上對輸入及輸出電感耦合的相關處理，便能夠發揮良好的濾波效果。除了有助于收集電流外，還有助于蓄電池使用時間的延長。

2 系統軟件設計

本文所設計研究的光伏充電系統程序主要是由系統主程序、PI 調節、電壓及電流采集、PWM 波輸出、最大功率點跟蹤、按鍵處理、系統狀態數據輸送等共同構成的。

（1）光伏充電主程序。依照蓄電池端電壓由低到高，光伏充電系統的基本環節主要包括欠壓充電、高速充電、過沖和浮充等幾個方面。由此設計了光伏充電的程序，其基本的流程圖如圖1 所示。

圖1

（2）最大功率點跟蹤。下面我們對最大功率點跟蹤的主要原理進行詳細的解析：即對某個特定內阻的線性電路，根據內外阻值相同的方法取得最優的充電功率，對于光伏充電系統則可借助對相關轉換電路里開光管的導通率，即為對開光管中PWM 波占空比進行改動，進一步恒定蓄電池的內部阻力，上述便是最大功率點跟蹤的主要原理。特別需要注意的一點為，如果充電電流超出最大限定值時，我們需要利用最大功率點跟蹤算法，以最高功率給蓄電池充電。

（3）PI 調節。如果我們對蓄電池不合理操作和使用，將會導致蓄電池端電壓小于預設定的數值，如此一來，我們就需要用到PI 調節算法，并且借助預設的額定充電電流來展開充電活動，這樣做的目的是激活蓄電池；與此同時，使用最大功率充電蓄電池的電量只能回復到額定電量的五分之四，此外還必須根據PI 調節算法設定一個較為穩定的電流值完成對蓄電池的充電操作，從而使得蓄電池電量能夠達到最大額定值；考慮到蓄電池自身會釋放電流，為彌補由于蓄電池自身放電而流失掉的電量，此時就應當使用具備溫度補償的PI 調節算法，同時利用伴隨外界溫度變動而變動的浮充電壓，更低的電流對蓄電池進行充電操作。

3 實驗結論與分析

結合上文中的研究，要想保證蓄電池的連續充電，實現最大功率點的實時追蹤，我們在有關的試驗中就需要使用到1kW 長弧對太陽能電池板進行仿真模擬。下面的圖2 反映的是光伏充電系統在最大功率點處運行的波形圖，其中CH1、CH2 代表的分別為充電電壓與充電電流。

圖2

根據圖2 內容可知，當光伏電池在最大功率點處運行時，充電電流干擾不大而且充電電壓較為穩定。除此之外，我們也設計了光伏充電設備，目的是完成對蓄電池的四段法充電，并且擁有較高的精確度。為考證光伏充電系統最大功率點追蹤的各項性能，在快速充能階段，借助對長弧燈和電池板二者間距離的改動可以調節光照，并且系統能夠快速搜尋至最大功率點處，同時維持穩定狀態。

4 結語

綜上所述，本文中所設計與研究的光伏充電系統依據電池容量、電壓等參數，將充電過程細分為了四個階段，系統借助涓流激活蓄電池，浮充彌補了蓄電池放電所損耗掉的電量，過充令蓄電池電量滿滿。這一系統基于電導增量的最大功率點跟蹤方法，可以迅速感知環境狀況的變動，提升光伏陣列的利用率，并有效延長蓄電池的使用壽命。