一種基于超級電容器儲(chǔ)能的光伏控制器的實(shí)現(xiàn)

1 引 言

能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著環(huán)境問題日益突出，使得越來越多的國家把目光投向可再生能源。太陽能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽能電池在其工作過程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強(qiáng)度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負(fù)載之間的不匹配，從而不能使太陽能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，就需要對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因?yàn)镃VT法較為簡單，制造相對也容易，但是此種控制技術(shù)帶來了較為嚴(yán)重的功率損失，相對于光伏電池價(jià)格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來，本文所設(shè)計(jì)控制器即是一種基于“電壓擾動(dòng)法”采用高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的小型光伏控制器，控制超級電容器充放電。

2 光伏電池的基本原理及其光伏特性

光伏電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，會(huì)在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生電流。該電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)接受的光強(qiáng)一定時(shí)，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強(qiáng)度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。

由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)溫度及標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化影響很大，其中光照強(qiáng)度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡單的CVT控制技術(shù)是不能滿足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術(shù)更加適用。

3 超級電容器儲(chǔ)能原理及等效電路模型

3.1 超級電容器儲(chǔ)能原理

超級電容器(Super-capacitor)是近年來出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能器件，與常規(guī)電容器相比，其容量可達(dá)法拉級甚至數(shù)千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有充放電時(shí)間短，循環(huán)性能好，使用壽命長，使用溫度范圍寬，對環(huán)境無污染等特點(diǎn)。因此，從某種意義上講，超級電容器有著傳統(tǒng)電容器和電池的雙重功能，彌補(bǔ)了兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)間的空白，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

超級電容器的能量儲(chǔ)存在雙電層和電極內(nèi)部。當(dāng)用直流電源為超級電容器單體充電時(shí)，電解質(zhì)中的正、負(fù)離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極/溶液”雙電層，用以貯存電荷。

超級電容器作為大功率物理二次電源，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。超級電容器與蓄電池并聯(lián)使用可以作為混合型電動(dòng)車的加速或啟動(dòng)電源;可以用作光電功能電子手表和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等小型裝置的電源;在高壓變電站及開關(guān)站中，超級電容器的使用保證了分閘能量供應(yīng)的絕對可靠，同時(shí)保留了傳統(tǒng)電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點(diǎn);除此之外，超級電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用也日益廣泛。本文利用超級電容器在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種控制超級電容器充放電的最大功率控制器。

由于超級電容器單體電壓較低，本設(shè)計(jì)選用了5個(gè)參數(shù)為2 400 F，2.7 F的超級電容器，將它們串聯(lián)起來作為儲(chǔ)能器件使用，電容量為480 F，工作電壓范圍為3.5～13.5 V，此時(shí)，超級電容器組件可儲(chǔ)能為：

最大可釋放的能量為：

由上面的計(jì)算可知，超級電容器的能量是依靠其電容值與其端電壓而得到的，與電容值成正比關(guān)系，與其端電壓的平方成正比關(guān)系。在超級電容器使用中，端電壓是隨著充放電而變化的。

3.2 超級電容器等效電路模型

等效電路模型對超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都很重要，工程用等效電路模型應(yīng)該能夠盡可能多的反映其_內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且模型中的參數(shù)應(yīng)容易測量。

最簡單的超級電容器等效模型，是只有一個(gè)阻容單元構(gòu)成的RC模型，如圖2(a)所示，包括理想電容器C、等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs、等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp。等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs表示超級電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，在充放電過程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，一般以熱的形式表現(xiàn)，還會(huì)因阻抗壓降而使端電壓出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生電壓紋波。等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp反映7超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲(chǔ)能過程，也稱為漏電電阻。文獻(xiàn)[9]對超級電容器的自放電回路的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了測試，長達(dá)數(shù)十小時(shí)至上百小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充放電時(shí)間常數(shù)。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，超級電容器一般通過功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過程中，因此，Rp的影響可以忽略。因此，可以進(jìn)一步將超級電容器模型簡化為理想電容器和等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。

RC等效模型結(jié)構(gòu)簡單

其中，Ns為串聯(lián)器件數(shù)，Np為并聯(lián)支路數(shù)。

3.3 超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)

在系統(tǒng)中，超級電容器具有兩大功能。首先，作為能量儲(chǔ)存裝置，在白天時(shí)儲(chǔ)存光伏電池提供的能量，在夜間或陰雨天光伏電池不能發(fā)電時(shí)向負(fù)載供電;其次，與光伏電池及控制器相配合，實(shí)現(xiàn)MPPT。

超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由太陽能電池板，超級電容器，開關(guān)，DC-DC變換器，放電回路及檢測控制電路幾部分組成。圖3為超級電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。

4.1 MPPT控制方法

光伏電池最大功率點(diǎn)控制方法有很多種，如CVT(恒壓控制)，電壓擾動(dòng)法(也稱登山法)，導(dǎo)納增量法，二次插值法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的是電壓擾動(dòng)法，此方法控制思路簡單，容易實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對最大功率點(diǎn)跟蹤的控制，提高系統(tǒng)的利用率。

電壓擾動(dòng)法的原理是通過將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較，來確定是增加還是減小光伏方陣工作電壓來實(shí)現(xiàn)MPPT。如圖4所示，若 △P>0，說明光伏電池工作在峰值電壓左側(cè)，則需要繼續(xù)增大工作電壓，從左邊向最大功率點(diǎn)靠近;若△P<0，則說明光伏電池工作在峰值電壓右側(cè)，需減小工作電壓，從右側(cè)向最大功率點(diǎn)靠近;若△P=0，則說明光伏電池正處于最大功率點(diǎn)附近，于是保持工作電壓不變即可。

4.2 控制器主回路硬件的實(shí)現(xiàn)

圖5為控制器主回路及控制電路框圖，它采用脈寬調(diào)制的方法，通過控制開關(guān)管Q的開通狀態(tài)將光伏電池的直流信號變換成一個(gè)可變占空比的脈沖信號，從而改變光伏電池的等效負(fù)載，進(jìn)而達(dá)到MPPT功能。

圖中充電主回路采用的是BUCK型降壓電路，適合本試驗(yàn)用25 W光伏電池給13.5 V超級電容器組的獨(dú)立光伏系統(tǒng)。BUCK變換器的工作原理是通過斬波形式將平均輸出電壓降低，通過調(diào)節(jié)占空比來達(dá)到調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的目的，使其輸出電壓能夠保持在最大功率點(diǎn)的電壓處。工作過程中，開關(guān)管Q反復(fù)導(dǎo)通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將光伏電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖形式的電壓，再經(jīng)過 L，C濾波，形成直流電壓輸出。

采用降壓斬波電路作為MPPT控制的主回路，是考慮到降壓斬波電路容易控制，完全可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能。以本系統(tǒng)為例說明：系統(tǒng)選用25 W光伏電池，最大功率點(diǎn)電壓為17.5 V。光伏電池電壓受光照及溫度的影響，即使是在惡劣的環(huán)境下S=200 W/m2，T=70℃，最大功率點(diǎn)電壓也為14.4 V，大于13.5 V的超級電容器組，因此完全能夠達(dá)到MPPT功能。

系統(tǒng)所用的單片機(jī)為Silicon 公司生產(chǎn)的C8051F310單片機(jī)。C8051F310芯片是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP- 51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS);全速，非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi));真正10位200 kS/s的25通道單端/差分ADC;具有高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器;16 kB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，1 280 B片內(nèi)RAM;硬件實(shí)現(xiàn)的SMBUS/I2C，增強(qiáng)型SPI串行接口和增強(qiáng)型UART;4個(gè)通用的16位定時(shí)器;具有5個(gè)捕捉，比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器電池(PCA)，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)8位或16位脈寬調(diào)制功能;具有19個(gè)I/O端口(容許5 V輸入);2.7～3.6 V的工作電壓，70%的指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期，具有擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)，是一款功能強(qiáng)大，性價(jià)比高的芯片。

該控制器通過單片機(jī)A/D采樣通道將從主回路采樣到的光伏電池電壓，電流及超級電容器組端電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)化采到單片機(jī)內(nèi)，并計(jì)算出光伏電池的輸出功率。然后根據(jù)MPPT控制方法，從單片機(jī)口輸出一個(gè)頻率約為24 kHz的PWM波，此脈沖波通過光耦TLP250來驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，最終達(dá)到利用MPPT控制來給超級電容器充電。

該系統(tǒng)負(fù)載為大功率LED燈，超級電容器給LED燈供電。當(dāng)控制器檢測到晚上或天陰，即單片機(jī)給出控制信號，使超級電容器開始放電，LED燈亮。因?yàn)長ED燈在工作過程中要求工作電壓或電流恒定，因而，需要在超級電容器與負(fù)載之間設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器或恒流器。該系統(tǒng)中選用了一種降壓芯片及一種恒流芯片，使LED燈工作在穩(wěn)定狀態(tài)。

超級電容器的放電問題，理論上可以完全放電，但事實(shí)上會(huì)影響超級電容器的壽命，而且負(fù)載額定電壓對超級電容器的電壓也有一定的要求，因此還是要設(shè)計(jì)控制器的過充，過放功能。防止超級電容器過充，過放也是通過單片機(jī)檢測超級電容器端電壓，看其是否超過了設(shè)計(jì)的限定值，如果超過了，則同樣通過單片機(jī)發(fā)出控制信號，控制充電回路及放電回路，達(dá)到防過充、防過放的目的。

從圖5中可以看到，二極管D1起到防反充的作用，即只有當(dāng)光伏電池電壓高于超級電容器端電壓時(shí)才能夠?qū)?，而?dāng)陰天或晚上時(shí)，光伏電池電壓低于超級電容器電壓時(shí)，防止超級電容器給光伏電池放電。

4.3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，通過JTAG口下載到單片機(jī)中。其中程序需要完成對系統(tǒng)時(shí)鐘，I/O口，A/D轉(zhuǎn)換，定時(shí)器T0，PCA及PWM的初始化，光伏電池電壓，電流，及超級電容器端電壓的采樣程序，光伏電池功率的計(jì)算，比較，以及MPPT的控制程序。單片機(jī)不斷地對采樣電壓、電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，調(diào)整PWM值，調(diào)節(jié)占空比，采用查詢的方式查詢系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，反復(fù)判斷系統(tǒng)是否達(dá)到了最大功率點(diǎn)。圖6為MPPT控制流程圖。

表1為光伏電池直接給超級電容器充電，每隔10 min測量一次光伏電池電壓，可以看出光伏電池的輸出電壓不斷地上升，且數(shù)值和超級電容器端電壓相差不多，說明超級電容器端電壓牽制了光伏電池的輸出電壓，導(dǎo)致光伏電池并不是以最大功率輸出，造成嚴(yán)重的功率損失。

圖7為超級電容器端電壓為4.8 V和9.3 V時(shí)單片機(jī)發(fā)出的脈沖波形，結(jié)合表2中光伏電池端電壓，可看出占空比大小基本符合要求。

6 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)證明，采用單片機(jī)C8051F310構(gòu)成的MPPT控制器能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，并具有體積小，價(jià)格低和接線簡單等優(yōu)點(diǎn)，因而具有實(shí)用價(jià)值。