最大功率點跟蹤的太陽能光伏發電系統實驗平臺設計

劉 洋， 杜玉曉， 蔡夢婷， 王永華

（1.廣東工業大學自動化學院，廣州510006；2.中國電子科技集團公司第七研究所，廣州510000）

0 引 言

太陽能資源豐富、分布廣泛、綠色環保，是21 世紀最具發展潛力的可再生能源。充分開發和利用太陽能是解決能源危機與環境保護的有效對策之一［1］。光伏發電是直接將太陽能轉換為電能的一種發電形式。太陽能光伏發電最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）是電氣工程專業重要的教學內容。然而，在實驗教學過程中，目前大多數集成化的光伏發電系統實驗設備價格昂貴、結構復雜、功能繁多、靈活性差、系統運行和維護成本高。因此，開發一套造價較低、結構簡單、易于維護、具有MPPT 功能的光伏發電實驗教學平臺十分必要。

常用的MPPT方法有恒定電壓法、電導增量法和擾動觀察法。此外，一些學者還提出了梯度計算法［2］、改進的擾動觀察法［3］、變步長擾動觀察法［4］、功率預測法［5］等，但這些改進方法大多是仿真研究，在教學平臺的應用較少。在光伏發電系統中，鉛蓄電池的充電方法有直接充電法、恒壓充電法和恒流充電法。此外，學者們還提出了可預測最大電流的變電流充電法［6］、免疫模糊算法分階段充電法［7］、基于UC3909 和超級電容的四階段充電法［8］、基于智能型擾動觀察法MPPT的四段式充電［9］等。但是，以上控制策略復雜，對硬件性能的要求高，系統實現的成本較高。

本文提出一種基于近似梯度變步長擾動觀察法的MPPT控制策略，采用STM8S105 單片機和CN3717 蓄電池充電管理芯片，設計一款太陽能智能充電器，它與光伏板、鉛蓄電池和變阻箱負載共同構成太陽能光伏發電系統實驗教學平臺。

1 鉛蓄電池四階段充電

由于鉛蓄電池具有價格低、結構緊湊、使用壽命長、基本免維護等優點，常用作光伏發電的儲能設備，但是蓄電池過充、過放和長時間浮充將會嚴重影響其壽命［10］。因此，充電器的設計必須參考充電特性曲線，采用科學的充電策略，對蓄電池的充電條件和方式加以限制。目前普遍采用三階段充電，即先恒流充電，再恒壓充電，最后浮充充電。但由于蓄電池可能出現過度放電的情況，如果一開始就進行恒流充電，則會因為充電電流太大而急劇發熱，燒壞蓄電池。所以，最先應采用小電流的涓流充電。這樣就構成了涓流充電、恒流充電、恒壓充電、浮充充電的四階段充電方式。

國內CONSONANCE公司生產的蓄電池充電管理芯片CN3717 是PWM降壓模式鉛酸蓄電池充電管理集成電路，具有TI 公司UC3909 芯片的功能，價格更低，性價比更高，其充電控制曲線如圖1 所示。

（1）涓流充電階段。當蓄電池過度放電后電壓低于所設定的門檻電壓UT（約為81.8%UOC）時，充電器將提供很小的充電電流IT（約為13%IBULK）。

（2）恒流充電階段。當蓄電池電壓高于UT，充電器提供一個恒定的大電流IBULK進行充電。這是充電的主要階段，蓄電池電壓快速上升，上升到過壓充電電壓UOC時，進入恒壓充電階段。

圖1 鉛蓄電池四階段充電曲線

（3）恒壓充電階段。此階段，充電器以略高于蓄電池額定電壓的UOC進行恒壓充電。隨著蓄電池端電壓逐漸升高，電流按指數規律逐漸減小，直到下降到充電終止電流IOCT（約為10%IBULK）時，充電器輸出電壓降低到浮充電壓UF。此時，蓄電池已基本滿充，進入浮充充電階段。

（4）浮充充電階段。保持浮充電壓UF（約為93.1%UOC）不變，以很小的浮充電流對蓄電池充電，來補償因蓄電池自放電造成的容量損失。

2 近似梯度變步長擾動觀察法MPPT

隨著光照強度和溫度的變化，太陽能電池有不同的輸出伏安特性、功率電壓特性。為了最大限度地利用太陽能，提高光伏發電系統綜合轉換效率，需要實時地檢測太陽能電池板的輸出電壓和負載電流，并使太陽能電池的工作點始終在最大功率點的附近，該過程稱之為MPPT［11］。

由圖2 可知，太陽能電池的P-U曲線是一條開口向下，連續可導的單峰曲線，頂點是最大功率點，其功率對電壓的導數為零，以它為界，可以分為左右兩個支。本文提出的近似梯度變步長擾動觀察法MPPT的基本思想是：在最大功率點附近采用較小的電壓擾動步長保證跟蹤精度；在遠離最大功率點區域采用較大的電壓擾動步長提高跟蹤速度。這樣能有效地解決定步長擾動觀察法最大功率點跟蹤的跟蹤精度和速度之間的矛盾。

圖2 太陽能電池P-U特性曲線

梯度下降法是以最速下降法為基礎的無約束最優化問題最簡單的計算方法。它將目標函數的負梯度方向作為每步迭代的搜索方向，逐步逼近函數最小值。而MPPT問題可以看作求解功率P-U 曲線的最大值。因此，只需要將負梯度方向變成正梯度方向。電壓擾動的迭代公式如下：

式中：Uk、Ik是當前的工作電壓和輸出電流；Uk＋1、Ik＋1是下一個采樣周期的工作電壓和輸出電流；α 是恒為正的系數；gk是梯度值；αgk是電壓擾動的步長，它隨梯度的變化而變化，在最大功率點附近較小，電壓擾動步長較小；在遠離最大功率點區較大，電壓擾動步長較大。梯度的公式如下［11］：

式中：U是光伏陣列的輸出電壓；P（U）是以U為唯一變量的太陽能電池輸出功率函數，為連續可一階微分的非線性函數。如果將連續域求導用離散域一階差分法表示，梯度值的近似計算可表示為：

根據擾動觀察法的基本原理，當gk＞0，表明當前工作點在最大功率點左側，應該增加工作點電壓；gk＜0，表明當前工作點在最大功率點右側，應該減小工作點電壓。綜上所述，算法如圖3 所示。

圖3 近似梯度變步長擾動觀察法的MPPT算法流程圖

3 充電器設計

3.1 充電控制系統組成

如圖4 所示，充電器主要由光伏陣列、光伏控制器、閥控式鉛蓄電池、功率電阻負載組成。其中，充電控制器由STM8S105S4T6C 單片機、大容量儲能電容器、Buck 直流斬波電路、CN3717 芯片和LCD 顯示屏組成。將太陽能電池板輸出電壓、充電電壓、充電電流和蓄電池溫度等多個采樣信號接入單片機的高速ADC 模塊。單片機輸出PWM 脈沖驅動主電路的IGBT，經儲能電容穩壓，完成功率傳輸和最大功率點跟蹤控制。單片機輸出充電允許和保護信號到芯片CN3717，它輸出PWM脈沖控制Buck直流斬波電路中的PMOS管，實現對蓄電池進行四階段充電。同時，單片機將過充、過放、充電狀態、電量和報警信息都顯示在LCD上。

圖4 太陽能智能充電器控制系統組成

3.2 CN3717 外圍電路設計

如圖5 所示，太陽能電池板輸出0 ～18 V電壓，先經大容量電容器穩壓，再經過由單片機控制的MOSFET來進行最大功率點跟蹤，然后輸入由CN3717控制的Buck降壓斬波電路，最后輸出可變電壓給蓄電池充電。

根據項目所使用的鉛酸蓄電池的參數和充電的要求，結合CN3717 芯片的文獻資料，確定鉛酸蓄電池涓流充電的門檻電壓UT＝11.8 V，涓流充電電流IT＝0.65 A，恒流充電電流IBULK＝5 A，恒壓充電電壓UOC＝14.5 V，恒壓充電終止電流IOCT＝0.53 A，浮充電壓UF＝13.5 V。然后，對CN3717 外圍電路元件的參數進行計算。根據公式：

式中：IB是FB 管腳的偏置電流，典型值為40 nA。通過計算，R7取300 kΩ，R6取100 kΩ。RCS是在CSP 管腳與BAT管腳之間的充電電流檢測電阻。根據：

計算出RCS為35 mΩ，一般采用康銅精密電阻。根據恒壓充電終止電流的公式：

計算出R3，取200 Ω。為了使充電控制器具有高精度溫度補償功能，對鉛酸蓄電池進行溫度監測，在TEMP管腳與地之間采用負溫度系數為-3.5 mV/℃的熱敏電阻，阻值為10 kΩ。

3.3 軟件設計

在CCStudio集成開發環境下，用C ＋＋編寫模塊化的程序。各模塊的主要功能如下［12-14］：

（1）初始化模塊。系統預設參數初始化，包括單片機內部集成模塊寄存器的初始化設置。

圖5 CN3717外圍電路原理圖

（2）模擬信號采樣及處理模塊。光伏電池輸出電壓和充電電壓檢測、充電電流采樣和鉛酸蓄電池溫度檢測，信號整形、濾波及A/D轉換。

（3）MPPT 控制模塊。主要包括基本MPPT 算法和改進型MPPT算法，在實驗教學過程中可進行靈活選擇。其中，基本算法包括恒定電壓法、電導增量法和擾動觀察法；改進算法包括本文提出的變步長近似梯度擾動觀察法的MPPT算法和其他改進算法。

（4）信息顯示模塊。顯示充電工作模式、充電狀態、電流、電壓、電量、故障報警等信息。

（5）充電允許/保護模塊。完成系統充電允許和對充放電過程中過流或過壓保護。如果系統運行參數一旦出現異常，會立刻自動切斷充電或者放電回路，保護負載和整個電路。

4 實驗平臺測試

研制的光伏發電鉛蓄電池充電實驗教學平臺如圖6 所示。其中，太陽能電池板的型號為SP-100，最大功率為100 W，輸出最高電壓為18 V，開路電壓為21.6 V，短路電流為5. 89 A，理想條件下的光照強度為1 000 lx，工作溫度為25 ℃。膠體密封閥控式鉛酸蓄電池的型號為NP65-12，其額定電壓為12 V，電池容量為65 Ah。負載采用功率變阻箱，最大允許電流13 A，最大電阻206 Ω。主控板主要完成信號采集與處理、MPPT算法和LCD顯示等功能，充電控制板進行鉛蓄電池四階段充電過程的控制。各個功能單元獨立分布，易于檢修和維護。

圖6 光伏發電鉛蓄電池充電的簡易實驗教學平臺

為了對實驗平臺運行時鉛蓄電池充電的全過程進行監測，在充電前，將鉛蓄電池通過電阻箱過放電后電壓為11V。在廣州7 月份某天，從8：00 ～19：00，利用該實驗平臺進行全天候監控與測試，得到的數據如表1 所示。

從表1 可知，光伏電池的P-U曲線與電池板溫度和光照強度有關，它們也是影響最大功率點的重要因素。鉛蓄電池開始充電0.5 h內，電流僅有0.66 A，屬于涓流充電階段，由于涓流限制，實際輸出功率遠小于最大功率；隨后電流逐漸增加到2.23 A，并進入恒流充電階段，電流保持在允許最大充電電流5 A左右，在此階段實際輸出功率與最大功率的誤差大幅度減小，約為5%，表明本文MPPT算法的控制效果明顯，能準確地跟蹤最大功率點。在恒壓充電階段，充電電壓約為14.5 V，充電電流逐漸減小，仍然能較好地跟蹤最大功率點。在浮充階段，浮充電壓受到限制，充電器輸出較小功率對鉛蓄電池充電。經11 h 運行，蓄電池基本充滿電。該實驗平臺能夠按照預設的充電參數長時間穩定地工作，運行正常，滿足實驗教學需求。

表1 獨立太陽能光伏發電鉛蓄電池充電系統MPPT測試

5 結 語

針對太陽能光伏發電系統實驗教學的需求，從系統的安全性、穩定性、性價比、延長蓄電池使用壽命等多方面考慮，采用了一種變步長近似梯度擾動觀察法的MPPT算法實現最大功率跟蹤，并結合四階段充電方式對鉛蓄電池充電。通過實際系統運行測試可知，在光照不斷變化時，該MPPT 算法能夠準確地跟蹤最大功率點，提高了太陽能綜合能效。研制的太陽能光伏發電鉛蓄電池充電實驗教學平臺具有較高的實用價值，值得進一步深入研究，進行性能優化和推廣應用。