王秀敏，姜利亭，熊日輝，單 良，許建炳（．中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)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(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流電源分析與設(shè)計(jì)

王秀敏1，姜利亭1，熊日輝1，單 良1，許建炳2
（1．中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率低、蓄電池使用壽命短等問(wèn)題，將最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）和蓄電池優(yōu)化充放電控制策略應(yīng)用到太陽(yáng)能充電系統(tǒng)中．同時(shí)，應(yīng)用以TL494為核心的推挽升壓電路，降低系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光的依賴性，在沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)，系統(tǒng)由儲(chǔ)存的蓄電池能量通過(guò)升壓電路給負(fù)載供電．據(jù)此設(shè)計(jì)了一種以Atmega 88單片機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用MPPT充電方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池充放電的優(yōu)化管理，其平均充電效率達(dá)到了91．24%，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，且推挽升壓電路性能穩(wěn)定可靠．

關(guān) 鍵 詞：太陽(yáng)能；MPPT；蓄電池充放電；優(yōu)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(yáng)能作為一種綠色生態(tài)能源，具有高效、無(wú)污染、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)．對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(qiáng)烈的非線性性，易造成太陽(yáng)能電池與輸出負(fù)載之間的不匹配，從而降低太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化利用效率．最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)是提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的有效方法［1－2］．此外，鉛酸蓄電池作為能源存儲(chǔ)模塊系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)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(jī)為控制核心，采用Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的充電電路將太陽(yáng)能電池組件的MPPT與蓄電池的三段充電法結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能量的最大化利用并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命．同時(shí)為了降低系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光的依賴性，設(shè)計(jì)了以TL494為核心的推挽升壓電路，在沒(méi)有太陽(yáng)光時(shí)，將光伏發(fā)電系統(tǒng)給蓄電池充電儲(chǔ)存的能量通過(guò)升壓電路給負(fù)載供電．最后設(shè)計(jì)了一款300W的直流電源樣機(jī)，經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，表明所設(shè)計(jì)的方案合理有效．

1 系統(tǒng)組成

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能直流電源系統(tǒng)如圖1所示，包括太陽(yáng)能電池PV、PWM驅(qū)動(dòng)電路（DC－DC）、蓄電池、電池電流檢測(cè)電路、TL494升壓電路和Atmega 88單片機(jī)控制電路．采用Atmega 88作為系統(tǒng)控制中心，充分利用了該單片機(jī)系統(tǒng)高精度和豐富指令集等優(yōu)良性能．R1、R2構(gòu)成太陽(yáng)能電池輸出電壓采樣電阻，送至U1的B端．U2A為雙運(yùn)算放大器MCP6V02，用于放大太陽(yáng)能電池輸出電流采樣信號(hào)，并送至U1的A端．R3、R4構(gòu)成蓄電池電壓采樣電阻，并送至U1的D端．U2B為雙運(yùn)算放大器MCP6V02，用于放大蓄電池電流采樣信號(hào)，并送至U1的C端．7805穩(wěn)壓電路為U1和U2提供工作電源．當(dāng)有光照時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)在給蓄電池充電的同時(shí)，通過(guò)TL494升壓電路產(chǎn)生220V直流電壓供直流負(fù)載工作［5－6］．當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)控制推挽升壓電路將蓄電池儲(chǔ)存的能量直接升壓以獲得負(fù)載正常工作所需電壓．單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)不同狀態(tài)時(shí)采樣的電壓和電流信號(hào)，通過(guò)軟件控制PWM驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生不同頻率的PWM波，由U1 的E端口輸出．系統(tǒng)中的DC－DC變換驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)調(diào)節(jié)控制Buck降壓電路中功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比來(lái)調(diào)節(jié)Buck降壓電路的等效電阻，使得負(fù)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(diǎn)正好和光伏陣列的最大功率點(diǎn)重合，實(shí)現(xiàn)MPPT功能［7］．同時(shí)以相應(yīng)的占空比控制蓄電池不同的充電方式，具有優(yōu)化管理蓄電池充電方法的功能，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命．推挽電路由于具有控制簡(jiǎn)單、輸出功率較大等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于DC－DC變換器［8］．TL494是一種固定頻率脈沖寬度的調(diào)制電路，包含了開(kāi)關(guān)電源控制所需的全部功能，廣泛應(yīng)用于單端正激式、半橋式以及全橋式開(kāi)關(guān)電源．

圖1　系統(tǒng)組成電路框圖Fig．1 Diagram of system circuit

2 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)

2．1 MPPT擾動(dòng)觀察法原理分析

擾動(dòng)觀察算法簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)，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(dòng)觀察法［9］．Atmega 88單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)R1、R2串聯(lián)電阻檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓和電流值，并計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率，將其與前一時(shí)刻采樣的功率進(jìn)行比較，如果輸出功率增加，則維持原來(lái)的電壓擾動(dòng)方向，如果功率值減小，則改變電壓擾動(dòng)方向．在逐點(diǎn)檢測(cè)太陽(yáng)能電池當(dāng)前輸出電流與電壓值的同時(shí)，檢測(cè)輸出功率的大?。鶕?jù)功率的變化情況來(lái)調(diào)整下一步負(fù)載端的參考電壓，使得負(fù)載的等效電阻和光伏電池的輸出阻抗達(dá)到最優(yōu)匹配．依據(jù)擾動(dòng)控制算法，單片機(jī)軟件給出可調(diào)節(jié)的PWM脈沖信號(hào)，DC－DC驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)相應(yīng)的占空比控制開(kāi)關(guān)管的通斷時(shí)間．此方法控制變量少、運(yùn)算速度快，可有效提高M(jìn)PPT算法的穩(wěn)定性和可靠性．

2．2 蓄電池充電優(yōu)化方法分析

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)采用光伏陣列對(duì)蓄電池充電，鉛酸蓄電池作為能源存儲(chǔ)模塊中最薄弱的環(huán)節(jié)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(jī)軟件控制系統(tǒng)對(duì)蓄電池充放電過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化管理．當(dāng)蓄電池電壓小于13．5V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入MPPT快充過(guò)程，以最大功率給蓄電池充電．在MPPT充電控制過(guò)程中，當(dāng)蓄電池的端電壓在13．5～14．0V時(shí)，需要降低充電電流，將MPPT轉(zhuǎn)化為恒壓充電控制方式．此過(guò)程中，隨著蓄電池端電壓充電電動(dòng)勢(shì)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(tǒng)［11］

TL494集成了全部的脈沖寬度調(diào)制電路，內(nèi)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(shí)元件RT和CT的數(shù)值，頻率f＝1．1／RTCT；內(nèi)置5V參考基準(zhǔn)電壓源，使用方便；內(nèi)置功率晶體管，可提供500mA的驅(qū)動(dòng)能；內(nèi)部有一對(duì)誤差放大器，可作為反饋放大器及過(guò)電壓保護(hù)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(cè)是推挽逆變電路，右側(cè)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(tài)損耗，本文采用的是全波整流電路．可以將2個(gè)正激變換器組合等效看成是推挽變換器，2個(gè)正激變換器的開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，其輸出電壓是單個(gè)單端正激開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)管Q1或Q2的導(dǎo)通時(shí)間，Ts是開(kāi)關(guān)管工作周期．變壓器的初級(jí)兩繞組匝數(shù)相等N11＝N12，次級(jí)兩繞組匝數(shù)也相等N12＝N22，N＝N21／N11是變壓器T的匝數(shù)比．

圖2　TL494推挽升壓系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig．2 TL494－based push－pull booster system topology

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

因?yàn)樾铍姵仉妷旱睦硐敕秶鸀閂in＝10～14V，本文設(shè)計(jì)的輸出電壓值為V0＝220V．由式（1）可知，當(dāng)Vin＝10 V最小時(shí)，占空比D＝Ton／Ts最大．當(dāng)占空比最大時(shí)，工作效率最大，開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的功率性能最佳，工作產(chǎn)生的溫度最低，有利于延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命．選取D＝0．4，則N≈27．5；選取開(kāi)關(guān)頻率fs＝50kHz，則Ts＝20μs，Ton＝0．4 Ts＝8μs．

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

對(duì)于推挽型電路來(lái)說(shuō)，由于變換器的開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，在一個(gè)周期中有2個(gè)0．4占空比的有效值：

本文中設(shè)計(jì)的負(fù)載功率為P0＝300W，當(dāng)輸入電壓最小時(shí)，Vin－min＝10V，則輸出平均電流為46．78A．

由式（5）可知，當(dāng)輸入電壓Vin＝10V最小時(shí)，因?yàn)閐i／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(shí)驗(yàn)結(jié)果

在陽(yáng)光充足的條件下，對(duì)額定參數(shù)為12V／60 Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，分析其充電控制方案．以Atmega 88為單片機(jī)核心的太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)，可以根據(jù)蓄電池所處的工作狀態(tài)，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(cè)試數(shù)據(jù)顯示，采用MPPT算法充電可以提高太陽(yáng)能電池的充電效率，平均充電效率可達(dá)91．24%．

表1　蓄電池充電過(guò)程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 1 Measured data of battery charging process

表2　性能參數(shù)比較Table 2 Performance parameters comparison

由表2可知，本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能升壓控制系統(tǒng)最大MPPT充電效率達(dá)到了92．87%，比文獻(xiàn)［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(dá)到了91．24%，既充分利用了太陽(yáng)能資源，又優(yōu)化了蓄電池充電管理過(guò)程，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命．

圖3　推挽電路開(kāi)關(guān)管Q1和Q2驅(qū)動(dòng)波形Fig．3 Switch tubes（Q1and Q2）waveforms of push－pull circuit

圖3所示的是開(kāi)關(guān)管Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)方波．1通道代表的是開(kāi)關(guān)管Q1的驅(qū)動(dòng)波形，2通道代表的是開(kāi)關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)波形．由圖1可知，2個(gè)開(kāi)關(guān)管交替導(dǎo)通，Ton＝10μs，Ts＝19．69μs，占空比達(dá)到了42．38%，工作頻率為50．78kHz，所測(cè)試的數(shù)據(jù)參數(shù)基本上和推挽電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論參數(shù)相吻合．實(shí)驗(yàn)測(cè)試的2個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形交替上升，波形比較平滑，瞬態(tài)毛刺較少，說(shuō)明升壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路工作性能穩(wěn)定．驅(qū)動(dòng)電路達(dá)到了較大的占空比，系統(tǒng)工作轉(zhuǎn)化效率較高、開(kāi)關(guān)管的工作溫度較低，有利于延長(zhǎng)電路的使用壽命．

圖4中1通道顯示的是軟啟動(dòng)開(kāi)機(jī)瞬間波形，2通道顯示的是振蕩頻率鋸齒波開(kāi)機(jī)瞬間波形．TL494芯片死區(qū)時(shí)間控制端通過(guò)100K電阻接地，并通過(guò)1 μF電容和芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出端連接組成一個(gè)軟啟動(dòng)電路．當(dāng)12V蓄電池電源剛接通時(shí)，由于電容兩端電壓不能突變，基準(zhǔn)電壓5V全部加到死區(qū)時(shí)間控制端上，使其輸出高電平，通過(guò)與非門(mén)電路使開(kāi)關(guān)電源無(wú)輸出．隨著電容電壓逐漸升高，100K電阻兩端電壓逐漸降低，開(kāi)關(guān)管逐漸導(dǎo)通．在輸出端設(shè)置分壓電路，通過(guò)反饋回路接到芯片的誤差放大器的同向輸入端，成閉環(huán)調(diào)制，誤差放大器的反向輸入端經(jīng)過(guò)4．7K電阻接到基準(zhǔn)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(dǎo)通時(shí)間變短，反饋端電壓保持在5V，穩(wěn)定了輸出電壓．采用TL494雙端脈沖調(diào)制器，內(nèi)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(shí)元件RT和CT的數(shù)值，頻率f＝1．1／（RT（CT））．在本文的電路中，振蕩頻率設(shè)置為10kHz．由圖4所示，從軟啟動(dòng)工作到鋸齒波開(kāi)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(yīng)速度快，實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出．驗(yàn)證了推挽升壓系統(tǒng)性能可靠穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)正確．

圖4　軟啟動(dòng)波形和鋸齒波測(cè)試波形Fig．4 Test waveforms of soft start and sawtooth

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的由光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池升壓系統(tǒng)所組成的供電直流系統(tǒng)，能夠給負(fù)載提供穩(wěn)定、安全的電能．系統(tǒng)在有陽(yáng)光時(shí)對(duì)負(fù)載提供電能，無(wú)陽(yáng)光時(shí)，可以通過(guò)儲(chǔ)存的蓄電池升壓電路給負(fù)載提供工作電能．以Atmega 88為核心的直流電源，充分利用太陽(yáng)能資源提高了系統(tǒng)的充電效率，最大MPPT充電效率為92．87%，平均充電效率91．24%．實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池充放電的優(yōu)化管理，延長(zhǎng)了蓄電池壽命，且推挽升壓電路運(yùn)行穩(wěn)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(jiǎn)介：王秀敏（1963－），女，教授，碩士，主要從事通信信號(hào)處理研究，E－mail：wxm6341＠163．com．

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61379027）；國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（51404223）；浙江省自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目（LQ14E060003）．

收稿日期：2015－01－20．

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

中圖分類號(hào)：TM 13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008－9497（2016）01－103－05