鄧仙玉 魏學(xué)業(yè)

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引言

太陽能以其資源豐富、分布廣泛、清潔可再生等特點(diǎn)，受到越來越普遍的重視。目前，太陽能電池面臨著造價(jià)高等問題，所以如何提高太陽能電池即光伏陣列的利用效率成為研究的熱點(diǎn)。

充電控制器是連接光伏陣列與用電負(fù)載的樞紐。目前市場上較為成熟完善的充電控制器采用PWM(Pulse Width Modulation)，即脈沖寬度調(diào)制模式，然而這種模式下往往不能使光伏陣列工作在其最大功率點(diǎn)(Maximum Power Point，MPP)，造成能量的損失。為了提高發(fā)電效率，需要采取一定的控制方法實(shí)時(shí)追蹤光伏陣列的輸出功率，使其工作在最大功率點(diǎn)上。此過程稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

1 MPPT控制原理

1.1 光伏陣列輸出特性

光伏陣列的輸出呈現(xiàn)出一個(gè)非線性的狀態(tài)，在不同的光照條件下，它的I-V曲線及P-V曲線分別如圖1、2 所示。

圖1 不同光照強(qiáng)度下I-V曲線

由圖1及圖2可以得出光伏陣列的輸出特性:① 光伏陣列在輸出低電壓段相當(dāng)于恒流源，高電壓段相當(dāng)于恒壓源。②光照強(qiáng)度對短路電流的影響很大。短路電流隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。③ 輸出功率隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。在每個(gè)光照強(qiáng)度下的P-V曲線都有一個(gè)最大值，即最大功率點(diǎn)MPP(Maximum Power Point)。

圖2 不同光照強(qiáng)度下P-V曲線

1.2 MPPT 控制原理

最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制是指實(shí)時(shí)檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當(dāng)前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變阻抗情況來使太陽能電池板輸出工作在最大功率點(diǎn)上。

圖3所示為MPPT工作原理示意圖。圖中曲線Ⅰ、Ⅱ是兩種不同光照情況下光伏陣列的Ⅰ-Ⅴ特性曲線，A、B分別為情況Ⅰ、Ⅱ下光伏陣列的最大功率點(diǎn)，負(fù)載1、負(fù)載2為兩個(gè)不同負(fù)載的特性曲線。假設(shè)光伏陣列一開始工作在Ⅰ情況下的最大功率點(diǎn)A點(diǎn)，光強(qiáng)減弱使得光伏陣列的輸出變化至特性曲線Ⅱ，由于負(fù)載沒有改變，光伏陣列的工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到A'點(diǎn)。而此時(shí)光伏陣列的最大功率點(diǎn)為B點(diǎn)，這就需要對其外部電路進(jìn)行控制使負(fù)載特性變?yōu)樨?fù)載曲線2，實(shí)現(xiàn)與光伏器件的功率匹配，從而使光伏陣列輸出最大功率。

為了使光伏陣列帶任意電阻負(fù)載時(shí)都能工作在最大功率點(diǎn)上，必須在負(fù)載和光伏陣列之間加入一個(gè)阻抗變換器，一般使用DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來調(diào)整負(fù)載阻抗，從而實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤。

圖3 MPPT原理示意圖

2 MPPT控制器設(shè)計(jì)

本文采用PWM控制芯片CS51221來提供不同占空比的控制波形。該芯片提供軟啟動、可調(diào)節(jié)逐脈沖限流、欠/過壓鎖定、熱關(guān)斷等保護(hù)特性，并且提供輔助輸入端，用于遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控。通過改變PWM波形的占空比來調(diào)節(jié)光伏陣列的等效負(fù)載，以保持光伏電池的輸出工作在最大功率點(diǎn)附近。本文避免了使用價(jià)格昂貴的微控制器(MCU)，大大降低了成本，并且方案簡單易實(shí)現(xiàn)，具有重要的實(shí)際意義。

2.1 控制器結(jié)構(gòu)及工作原理

本文以圖3所示原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一個(gè)MPPT控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制器結(jié)構(gòu)框圖

由于光伏陣列的輸出范圍較大，大概在12-24 V之間，而蓄電池的電壓為12 V，給蓄電池的充電電壓最好在14-15 V，因此需要對光伏陣列輸出做一個(gè)電壓變換。PWM控制電路輸出一個(gè)PWM波形，用來控制DC-DC變換器中半導(dǎo)體開關(guān)管的開通關(guān)斷動作，從而改變DC-DC變換器的儲能及釋放，將光伏陣列的輸出轉(zhuǎn)換成15V直流電，再向蓄電池充電，并且調(diào)節(jié)負(fù)載特性，使光伏陣列輸出達(dá)到最大功率點(diǎn)。為了保持穩(wěn)壓輸出，需要在輸出端取一個(gè)反饋電壓，并與芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。電流限制電路能夠?qū)崟r(shí)地根據(jù)光伏陣列的輸出設(shè)定電流限制，電流檢測電路對電流進(jìn)行取樣，并與電流限制作比較。電壓、電流比較的結(jié)果用以調(diào)節(jié)PWM控制波形的占空比大小。

2.2 MPPT 電路

MPPT電路的作用是利用光伏陣列的輸出特性，逐周期的找到光伏陣列的最大輸出功率點(diǎn)。在DCM(斷續(xù)電流模式)反激的每個(gè)導(dǎo)通周期，開關(guān)管的電流從零開始上升到內(nèi)部允許的最大電流限制，一旦光伏陣列的最大功率被超過時(shí)，電壓下降到零。其原理圖如圖5所示。

光伏陣列的電壓通過 R1，R2的分壓，與Q1基極電壓 VB=Vr-0.7 比較。如果電壓高于，Q1、Q2 均不導(dǎo)通，此時(shí)的電流限制

如果電壓低于VB，Q1、Q2 導(dǎo)通，此時(shí)的電流限制

理想情況下，電流限制LIMIT將設(shè)定在光伏陣列的最大功率點(diǎn)上，最大化利用所提供的光伏電池板的容量。

圖5 MPPT電路圖

3 DC-DC變換器

DC-DC變換器是接在直流電源和負(fù)載之間，通過半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)動作將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。它在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常用于電壓變換使用，如直流光伏輸電線路、逆變器和負(fù)荷間的電壓匹配變換等。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有單端正激型、單端反激型、推挽變換型及橋式變換型等。

本文中的DC-DC變換器采用單端反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單端反激式開關(guān)電源是一種成本最低的電源電路，輸出功率為20-100 W，可以同時(shí)輸出不同的電壓，且有較好的電壓調(diào)整率。其典型電路如圖6所示。

所謂的單端，是指高頻變換器的磁芯僅工作在磁滯回線的一側(cè)。所謂的反激，是指當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，變壓器T的初級電壓感應(yīng)到次級，但是由于感應(yīng)電動勢上負(fù)下正，所以整流二極管D1處于截止?fàn)顟B(tài)，在初級繞組中儲存能量;當(dāng)開關(guān)管Q1截止時(shí)，這個(gè)感應(yīng)電動勢通過變壓器的繞組耦合到次級，由于次級的同名端和初級是反的，所以次級的感應(yīng)電動勢是上正下負(fù)，當(dāng)次級的感應(yīng)電動勢達(dá)到輸出電壓時(shí)，次級整流二極管D1導(dǎo)通，初級電感在Q1開通時(shí)儲存的能量通過磁芯耦合到次級電感，然后通過次級線圈釋放到次級輸出電容C1中。

圖6 單端反激變換器原理圖

反激變換器中高頻變壓器T是電路的核心，設(shè)計(jì)合理的反激變壓器可以使整個(gè)開關(guān)電源穩(wěn)定、高效地工作。光伏陣列輸出電壓為12-24 V，反激變換器的次級輸出為15 V/2 A給負(fù)載，輔助輸出12 V/1 A給芯片供電，開關(guān)頻率為100 KHz。根據(jù)輸出功率

選擇EE28/22型的鐵氧體磁芯，通過計(jì)算得到初級電感Lp=12μH，最大峰值電流 Iρk=10.6A，初級繞組 Nρ=6TS，次級繞組NS=11TS，輔助繞組NF=8TS，采用初級-輔助級-次級的三明治繞線方式，減小功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，從而可以減小吸收電路，間接提高電源的效率。

4 仿真及結(jié)果

本文使用 MATLAB的 Simulink工具箱進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)光伏電池模型及所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬仿真，光伏組件參數(shù)選擇如下:內(nèi)部串聯(lián)電阻 0.24 Ω，內(nèi)部并聯(lián)電阻260 Ω，t=25℃，光照強(qiáng)度1000條件下短路電流3.8 A，開路電壓 22.1 V，峰值工作電流 3.5 A，峰值工作電壓 17.5 V，峰值功率60.4 W。結(jié)果如圖7所示。

圖7 光強(qiáng)改變時(shí)光伏陣列輸出功率圖

圖7表明在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)光伏陣列輸出功率的變化情況。T=0.8 s時(shí)光強(qiáng)從1000變化到500，t=1.5 s時(shí)變化到750，可以看到輸出功率基本與理論值符合，且追蹤速度比較快。

5 結(jié)束語

本文針對充電控制器實(shí)時(shí)跟蹤光伏陣列輸出最大功率的控制方法進(jìn)行研究，首先分析了光伏陣列輸出特性及MPPT基本控制原理，其次設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PWM控制芯片及DC-DC電路的充電控制器，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。結(jié)果表明該設(shè)計(jì)方案可行可靠，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地追蹤光伏陣列的最大功率。

［1］韓文穎，陳愛國.具有MPPT功能的太陽能光伏充電器［J］.電子測量技術(shù)，2009，32(10):30-32.

［2］馮垛生，張淼，趙慧，等.太陽能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社，2009.

［3］王震.獨(dú)立太陽能光伏路燈系統(tǒng)中MPPT控制器的研究與設(shè)計(jì)［D］.湖北大學(xué)，微電子與固體電子學(xué)，2009.

［4］楊帆，彭宏偉，胡為兵.DC-DC轉(zhuǎn)換電路在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30(3):104-106.

［5］Abraham I.Preeman著，王志強(qiáng)等譯.開關(guān)電源設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［6］Cabal C，Alonso C，Cid-Pastor A，et al.Adaptive digital MPPT control for photovoltaic applications［J］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2007:2414-2419.