韓騰飛 楊明發(fā)

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基于雙模MPPT控制的光伏充電設(shè)計(jì)

韓騰飛 楊明發(fā)

（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116）

本文提出一種光伏充電設(shè)計(jì)方案，在不同的光照強(qiáng)度下，采用不同模式的最大功率點(diǎn)跟蹤方法（MPPT）來控制光伏電池板的輸出特性。強(qiáng)光照時(shí)，MPPT采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，對(duì)鋰電池和超級(jí)電容充電；弱光照時(shí)，不能對(duì)鋰電池直接充電。MPPT采用擾動(dòng)觀察法，對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容蓄能后對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。本文設(shè)計(jì)基于MSP430F5132的控制系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，能夠高效地利用太陽能對(duì)鋰電池進(jìn)行充電。

MPPT；鋰電池；超級(jí)電容；充電

光伏電池可以將太陽能轉(zhuǎn)成電能，其輸出伏安特性曲線具有非線性，最大功率點(diǎn)隨著光照強(qiáng)度和溫度的變化而不同，為了提高光伏電池的利用率，需要采用最大功率點(diǎn)跟蹤方法（MPPT）來控制其輸出特性。

早晨和傍晚或是陰天的時(shí)候，光照強(qiáng)度較低，光伏電池?zé)o法為鋰電池充電；晴天中午時(shí)刻，光照強(qiáng)度高，光伏電池輸出能量充足。本文提出采用擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法雙模MPPT控制方案對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，對(duì)光照強(qiáng)度高的時(shí)段“精益求精”，追求太陽能功率的最大利用；對(duì)光照強(qiáng)度低的時(shí)段，高精度的MPPT方案效益不高，則放棄使用復(fù)雜的控制方案，降低MSP工作頻率，減少功耗，利用超級(jí)電容收集微弱的太陽能。

1 光伏電池陣列數(shù)學(xué)模型

對(duì)于工程應(yīng)用的太陽能電池，可以將其看成由若干個(gè)單個(gè)太陽能電池單元的串并聯(lián)而成，單個(gè)硅型太陽能電池單元的等效電路模型如圖1所示，在圖1中D表示等效二極管，sh表示等效旁路電阻，s表示等效串聯(lián)電阻，o表示電池的外接負(fù)載電阻。

圖1 光伏電池等效電路模型

該數(shù)學(xué)模型的函數(shù)關(guān)系如下：

（2）

d=o+os（3）

式中，s為太陽能電池內(nèi)部等效二極管P-N結(jié)反向飽和電流；ph為光生電流；d為等效二極管的端電壓；為電子電荷量；為玻爾茲曼常量；為絕對(duì)溫度；為P-N結(jié)的曲線常數(shù)。

由式（1）至式（4）可知，光伏電池輸出具有非線性，任一個(gè)溫度和光照強(qiáng)度都對(duì)應(yīng)一個(gè)最大輸出功率點(diǎn)（MPP）。通過最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）調(diào)節(jié)直流母線電壓，控制外電路阻值與光伏電池內(nèi)阻匹配，即可使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)。圖2為光伏電池輸出特性曲線圖。本文主要研究不同光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性，所以設(shè)定溫度為標(biāo)準(zhǔn)值25℃。

（a）電壓-電流特性曲線

（b）電壓-功率特性曲線圖

圖2 光伏電池輸出特性

2 MPPT算法分析

2.1 變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是通過觀測(cè)比較太陽能電池板輸出電壓和輸出功率之間的關(guān)系推導(dǎo)出瞬時(shí)電導(dǎo)和電導(dǎo)變化量來調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的。該算法能夠快速跟蹤光照強(qiáng)度的變化，控制精度較高。

當(dāng)光伏電池輸出功率達(dá)到最大時(shí)，根據(jù)光伏輸出特性曲線，可得

（6）

傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法擾動(dòng)步長(zhǎng)固定，而擾動(dòng)步長(zhǎng)大小決定了系統(tǒng)的跟蹤速度。選用較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)可提高跟蹤速度，但到達(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)波動(dòng)較大，穩(wěn)態(tài)功率損失較多；較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)可提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，但跟蹤速度較慢。

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的擾動(dòng)步長(zhǎng)為

式中，為比例系數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)獲得。

|d/d|的變化曲線如圖3所示。擾動(dòng)步長(zhǎng)在遠(yuǎn)離最大工作點(diǎn)的區(qū)域取值較大，系統(tǒng)工作點(diǎn)越靠近最大功率點(diǎn)時(shí)步長(zhǎng)越小，并在最大功率點(diǎn)處變?yōu)?。

圖3 光伏陣列P-U和|dP/dU|-U曲線

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的參考電壓更新規(guī)則為

式中，ref()和ref(-1)分別為時(shí)刻和-1時(shí)刻的參考電壓值；為參考電壓擾動(dòng)變步長(zhǎng)。

2.2 擾動(dòng)觀察法

擾動(dòng)觀察法的控制思想是：周期性地以一定步長(zhǎng)擾動(dòng)太陽能電池的輸出電壓，計(jì)算擾動(dòng)后光伏電池的輸出功率，比較擾動(dòng)前后光伏電池的輸出功率的變化D，如果D＞0，則繼續(xù)保持原方向擾動(dòng)；如果D＜0，則改變擾動(dòng)方向。不斷循環(huán)，光伏電池的工作點(diǎn)就可以逐漸逼近當(dāng)前最大功率點(diǎn)，最終在最大功率點(diǎn)附近的小范圍內(nèi)振蕩。

擾動(dòng)觀察法算法簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，易于實(shí)現(xiàn)，但響應(yīng)速度較慢，光照變化時(shí)容易損失部分能量。

擾動(dòng)觀察法的參考電壓更新規(guī)則為

式中，ref()和ref(-1)分別為時(shí)刻和-1時(shí)刻的參考電壓值；D為參考電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)。

3 MPPT雙?？刂撇呗苑治?/h2>

變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的步長(zhǎng)調(diào)整依賴于|d/d|值的大小，但是通過圖4可知，|d/d|曲線在不同光照條件下差異較大，無法找到一組最優(yōu)的速度因子同時(shí)滿足不同光照條件下的最大功率跟蹤需求，即不同光照下存在跟蹤死區(qū)。

圖4 不同光照條件下|dP/dU|曲線

分析變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法的優(yōu)缺點(diǎn)，見表1。

表1 兩種MPPT方法的優(yōu)缺點(diǎn)

針對(duì)以上問題，本文提出采用雙模MPPT切換控制的方案：

在強(qiáng)光照時(shí)，太陽能量充足，采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，通過調(diào)整比例系數(shù)，使得擾動(dòng)步長(zhǎng)為在強(qiáng)光照條件下的最優(yōu)值。此時(shí)MPPT跟蹤精準(zhǔn)，最大功率點(diǎn)處振蕩小，最大化利用太陽能。

在弱光照時(shí)，太陽能量較低，高精度的最大功率跟蹤所能利用的能量有限，此時(shí)采用擾動(dòng)觀察法，處理器的工作頻率降低，功耗減少。

目前常用的鋰電池和超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能，一般是先將鋰電池中的能量轉(zhuǎn)存到超級(jí)電容中，然后利用超級(jí)電容作為瞬間驅(qū)動(dòng)源；或是利用超級(jí)電容的特性，削減負(fù)載突變對(duì)鋰電池的沖擊，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

本設(shè)計(jì)引入超級(jí)電容蓄能，在弱光照的情況下收集太陽能，形成大電流給鋰電池充電。

本設(shè)計(jì)以光伏輸出能否維持鋰電池恒流恒壓充電為光照強(qiáng)弱的判斷依據(jù)。強(qiáng)光照時(shí)，光伏電池直接對(duì)鋰電池充電，弱光照時(shí)，光伏電池對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容蓄能為鋰電池充電。

4 電路拓?fù)浞治?/h2>

4.1 強(qiáng)光照時(shí)的工作回路

強(qiáng)光照時(shí)，光伏電池直接對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，工作電路如圖5所示，前端BOOST電路實(shí)現(xiàn)MPPT控制，后端BUCK電路采用PI控制實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池恒流恒壓充電。

圖5 光伏-鋰電池充電回路

在Matlab/Simulink中建模仿真，光照強(qiáng)度按照→→（對(duì)應(yīng)的MPP：19.98W→11.82W→15.89W）變化，MPPT采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法。

如圖6所示，變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法能快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且使光伏電池工作點(diǎn)保持在最大功率點(diǎn)，功率振蕩小，減少能量損失。

鋰電池充電仿真數(shù)據(jù)較多，為減少仿真時(shí)間，僅對(duì)充電初期和充電末期進(jìn)行仿真。在充電期間，光照強(qiáng)度也按照→→變化。

圖6 變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

如圖7所示，在光照強(qiáng)度變化的情況下，PI控制能夠?qū)崿F(xiàn)鋰電池恒流恒壓充電功能。

（a）充電初期

（b）充電末期

圖7 鋰電池充電波形

4.2 弱光照時(shí)的工作回路

弱光照時(shí)，光伏電池輸出達(dá)不到鋰電池恒流恒壓充電的要求，此時(shí)系統(tǒng)工作方案切換為光伏電池對(duì)超級(jí)電容充電，MPPT采用擾動(dòng)觀察法。

如果采用BOOST電路直接對(duì)超級(jí)電容充電，超級(jí)電容電壓低于光伏電池輸出電壓時(shí)BOOST電路將不能正常工作，光伏電池通過電感和二極管直接給超級(jí)電容充電，電感很快會(huì)飽和。同時(shí)，由于光伏電池輸出電壓被鉗位在低電壓，這一段也將不能實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤功能。

在Matlab/Simulink中建模進(jìn)行仿真，光照強(qiáng)度按照→→（對(duì)應(yīng)的MPP：7.78W→5.76W→3.78W）變化，結(jié)果如圖8所示，系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能。

圖8 最大功率跟蹤失效

改進(jìn)后的超級(jí)電容充電回路如圖9所示。Q1和Q2保持同步，同時(shí)關(guān)斷時(shí)，光伏電池向轉(zhuǎn)存電容充電；同時(shí)開通時(shí)，光伏電池對(duì)電感充電，轉(zhuǎn)存電容向超級(jí)電容充電。

圖9 改進(jìn)后光伏-超級(jí)電容充電回路

按照同樣的條件仿真，結(jié)果如圖10所示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤功能。

圖10 最大功率跟蹤有效

選用16V/16F的超級(jí)電容進(jìn)行仿真，超級(jí)電容充電電壓和荷電狀態(tài)（）如圖11所示。超級(jí)電容被不斷充電至額定電壓。

圖11 超級(jí)電容端電壓和SOC

超級(jí)電容儲(chǔ)存的能量通過BUCK變換器對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流恒壓充電。圖12中，超級(jí)電容的電壓和下降，鋰電池處在恒壓充電階段，不斷上升。

（a）超級(jí)電容放電電壓和SOC

（b）鋰電池充電電壓和SOC

圖12 超級(jí)電容-鋰電池充電波形

4.3 設(shè)計(jì)整體電路

強(qiáng)光照時(shí)，光伏電池對(duì)鋰電池和超級(jí)電容充電，Q3工作，Q4關(guān)斷；弱光照時(shí)，鋰電池?zé)o法實(shí)現(xiàn)恒流恒壓充電，此時(shí)Q3關(guān)斷，Q4工作，超級(jí)電容對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流恒壓充電。

圖13 整體電路

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 MPPT測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用60V直流穩(wěn)壓電源串聯(lián)可變阻值的滑動(dòng)變阻器來模擬光伏電池的輸出特性，對(duì)MPPT功能進(jìn)行測(cè)試。

圖14 MPPT模擬測(cè)試

根據(jù)戴維南定理的等效可知：當(dāng)變換器的輸入電壓為直流穩(wěn)壓電源電壓S的一半，即實(shí)現(xiàn)了最大功率輸出。

模擬光照強(qiáng)度增大，穩(wěn)壓源電壓S由17V變?yōu)?0V，對(duì)應(yīng)的變換器輸入電壓由8.5V變?yōu)?5V。

如圖15和圖16所示，擾動(dòng)觀察法和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法均能實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能，但變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在最大功率點(diǎn)處振蕩小，跟蹤速度和精度方面都優(yōu)于擾動(dòng)觀察法。

（a）擾動(dòng)觀察法

（b）變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

圖15 MPPT波形圖1

（a）擾動(dòng)觀察法

（b）變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

圖16 MPPT波形圖2

模擬光照強(qiáng)度減小，穩(wěn)壓源電壓S由30V變?yōu)?7V，對(duì)應(yīng)的變換器輸入電壓由15V變?yōu)?.5V。

5.2 超級(jí)電容測(cè)試實(shí)驗(yàn)

采用220mF轉(zhuǎn)存電容、16V/16.6F超級(jí)電容組和12V/2Ah鋰電池組（由3節(jié)3.7V鋰電池串聯(lián)），對(duì)超級(jí)電容充放電情況進(jìn)行測(cè)試。

如圖17和圖18（a）所示，轉(zhuǎn)存電容不斷充放電，超級(jí)電容被充電至額定16V。

超級(jí)電容為電壓為初始電壓10V的鋰電池充電，如圖18（b）所示超級(jí)電容放電至10V截止。

圖17 轉(zhuǎn)存電容端電壓

（a）充電電壓

（b）放電電壓

圖18 超級(jí)電容充放電波形

5.3 工作模式切換測(cè)試實(shí)驗(yàn)

開關(guān)管Q3和Q4除了實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池進(jìn)行恒流恒壓充電的控制，還實(shí)現(xiàn)工作模式切換的功能，切換思路為：①光伏電池直接對(duì)鋰電池和超級(jí)電容充電，Q3工作，Q4關(guān)斷；②超級(jí)電容對(duì)鋰電池充電，Q4工作，Q3關(guān)斷；③超級(jí)電容放電結(jié)束，切換回工作狀態(tài)①。

測(cè)試工作狀態(tài)①切換為工作狀態(tài)②，如圖19所示，Q3由工作狀態(tài)切換為關(guān)斷狀態(tài)，Q4由關(guān)斷狀態(tài)切換為工作狀態(tài)。

5.4 鋰電池充電實(shí)驗(yàn)

光伏電池板參數(shù)：峰值功率30W，工作電壓17.6V，工作電流1.71A，開路電壓21.6V，短路電流1.95A。

圖19 工作模式切換波形

鋰電池充電情況如圖20所示。其中在55min、95min、135min、175min的采樣時(shí)間點(diǎn)遮擋光伏電池，模擬弱光照情況，圖20（a）為本設(shè)計(jì)的充電方案，充電電流保持穩(wěn)定；圖20（b）為傳統(tǒng)的充電方案，光伏電池輸出為鋰電池充電，在弱光照的情況下，充電電流急劇下降。

（a）充電電流1

（b）充電電流2

圖20 鋰電池充電波形

由此可知，當(dāng)間斷出現(xiàn)烏云飄過遮蔽情況時(shí)，傳統(tǒng)的充電方案令鋰電池充電時(shí)間延長(zhǎng)。而加入超級(jí)電容蓄能后，出現(xiàn)遮蔽弱光照時(shí)向鋰電池充電，鋰電池能夠保持恒流恒壓充電狀態(tài)。超級(jí)電容的加入能夠充分利用太陽能，保證鋰電池的充電速度。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)根據(jù)光伏電池在強(qiáng)弱光照下的不同特性，采用雙模MPPT控制策略，實(shí)驗(yàn)表明，采用變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法時(shí)跟蹤速度快，精度高，太陽能利用效率高，采用擾動(dòng)觀察法時(shí)降低了MSP的工作頻率，減少功耗。在弱光照時(shí)，采用超級(jí)電容收集能量，能夠提高對(duì)太陽能的利用效率。

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Design of Photovoltai Charging based on Dual-mode MPPT

Han Tengfei Yang Mingfa

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

A design of photovoltai charging is proposed. Different modes of Maximum Power Point Tracking (MPPT) is adopted to control the output characteristics of PV in different sunlight intensity. During the strong sunshine, variable step incremental conductance algorithm is adopted for lithium batteries and super capacitor charging; During the weak sunshine, perturbation and observation algorithm is adopted for the super capacitor charging. Lithium battery is charging by the energy stored in the super capacitor. The design is achieved bythe system based on MSP430F5132, the results show that the design can efficiently use solar energy to charge lithium batteries.

MPPT; lithium battery; super capacitor; charging

韓騰飛（1990-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)電器及其系統(tǒng)智能化與在線檢測(cè)技術(shù)。