儲能設(shè)備獲最大功率的改進型光伏充電系統(tǒng)設(shè)計

引言

太陽能是一種潔凈、無污染且很有發(fā)展前途的可再生能源，與礦物燃料等不可再生的能源相比有著無可比擬的優(yōu)點。作為一種新型能源，太陽能已經(jīng)引起越來越多國家的關(guān)注和研究。光伏發(fā)電的成本在全球產(chǎn)能提高的同時不斷減少，預(yù)計到2050 年，由太陽能提供的能源將占到全球能源的 11% 左右，因此，對太陽能的利用及環(huán)境的改善都有十分重要的意義。由于現(xiàn)有的光伏電池對太陽光的利用率不高，因此，如何高效利用太陽能給儲能設(shè)備充電具有很高的研究價值。

在光伏系統(tǒng)中，通過最大功率點跟蹤 (Maximum PowerPoint Tracking，MPPT) 技術(shù)可以使光伏電池輸出最大功率，從而提高光伏電池的能量利用率。但在實現(xiàn) MPPT 的過程中，人們往往忽略了一個問題，即當光伏電池輸出最大功率時，我們期望的儲能設(shè)備是否獲得了最大功率。儲能設(shè)備最大功率的獲得一定要結(jié)合 MPPT 變換器的效率，只有當光伏電池輸出功率和 MPPT 變換器的效率達到最優(yōu)比時，儲能設(shè)備才能獲得最大功率。在實際應(yīng)用中，人們往往期望儲能設(shè)備獲得盡可能多的電能，而不是光伏電池輸出的最大功率。

1 光伏電池的伏安特性與功率特性

圖 1 所示是光伏電池的伏安與功率曲線。從圖 1中光伏電池的 V-I( 電壓 - 電流 ) 曲線可以看出，隨著光伏電池電壓的下降，其電流隨之增大 ；而光伏電池的功率則先是逐漸增大到最大功率點，然后逐漸減小。在實際情況下，光伏電池的伏安與功率曲線會隨著光照強度以及外界溫度的不同而發(fā)生變化，為了充分利用太陽能以獲取最大功率輸出 , 必須跟蹤光伏電池的最大功率點，從而最大限度地利用光伏電池所提供的能量。

圖1 光伏電池的伏安與功率曲線

2 光伏 MPPT 原理

圖 2 所示是 MPPT 變換器的硬件實現(xiàn)原理圖，其核心是利用 BUCK 轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)這一功能。最大功率點跟蹤算法 [3]本質(zhì)上是阻抗匹配，即當負載的阻抗等于光伏電池的阻抗時，負載可以獲得最大功率。由于光伏電池的光伏特性受到光照強度、外界環(huán)境溫度等影響，因此，其電壓電流輸出特性呈非線性。這里將光伏電池等效為一個直流電源和一個可變電阻的串聯(lián)電路。其中可變電阻的阻值會受到光照強度、溫度等影響而發(fā)生變化，通過 BUCK 轉(zhuǎn)換器功率管的占空比變化可以改變其等效電阻 Req，其等效電阻 Req 如下式所示 ：

其中，D=Uo/Uin 為功率開關(guān)管的占空比 ；Ro 為實際負載阻抗。當 BUCK 轉(zhuǎn)換器的負載 Ro 一定時，通過改變占空比 D，就可以改變 Uin，從而改變光伏電池的等效負載，進而改變光伏電池的工作點和輸出功率，找到最大功率點，實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率 [4]。實現(xiàn)這一方案 ( 最大功率點跟蹤器 ) 的方法有很多，但都非常復(fù)雜，尤其是在衛(wèi)星等任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中。然而在很多小型應(yīng)用中，并不需要極其精確的 MPPT 跟蹤方案，而只需要一個能量利用率為90%~95%可用電能的解決方案即可。

圖 2 MPPT 硬件實現(xiàn)原理

3 獲得儲能設(shè)備最大功率的實現(xiàn)算法

光伏系統(tǒng)中最大功率點的跟蹤方法有很多種，比如恒壓跟蹤法 (CVT)、擾動觀察法 [6](P&O) 以及增量電導(dǎo)法 (INC)等。這些算法的目標都在于從光伏電池中獲得最大功率，而我們期望的是儲能設(shè)備最終獲得最大功率，因此，還要考慮MPPT 變換器的效率問題。在本文中，MPPT 變換器的效率特指BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率。由于擾動觀察法易于實現(xiàn)，成本較低，是最常用的方法，因此本文基于擾動觀察法來實現(xiàn)儲能設(shè)備最大功率的獲得。

擾動觀察法基于以下標準 ：通過改變等效負載的阻抗變化來使得光伏電池工作電壓向某一方向擾動，經(jīng)檢測，如果光伏電池的輸出功率增加，則意味著光伏電池的工作點向著最大功率點的方向移動，即之前的擾動方向正確，因此，光伏電池的工作電壓必須進一步向原來的方向擾動。否則，如果光伏電池的功率下降，則意味著光伏電池的工作點向遠離最大功率點的方向擾動，此時的光伏電池工作電壓必須向反方向擾動。

圖 3 系統(tǒng)每個部分功率關(guān)系圖

圖 3 所示是系統(tǒng)中每個部分的功率關(guān)系圖。從圖 3 中可以注意到，光伏電池的輸出最大功率是指 BUCK 轉(zhuǎn)換器自身消耗的功率 ( 由于其自身效率問題引起的內(nèi)耗 ) 與儲能設(shè)備所獲得的功率之和，而通常人們主要關(guān)注的是儲能設(shè)備所獲得的功率。由于 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率與特定的輸入電壓、輸入電流以及輸入電壓與輸出電壓差有關(guān)，因此，要考慮 BUCK 轉(zhuǎn)換器在特定的輸入電壓和輸入電流情況下的效率問題。在此提出在光伏MPPT 控制中，基于擾動觀察法在 BUCK 轉(zhuǎn)換器不同效率的情況下，可使儲能設(shè)備獲得最大功率，即由 MSP430 控制 BUCK轉(zhuǎn)換器的 PWM( 脈沖寬度調(diào)制技術(shù) ) 占空比，來檢測流入儲能設(shè)備的電流和儲能設(shè)備的電壓，同時計算出當前的功率。

圖 4 擾動觀察法流程圖

圖4所示是擾動觀察法的控制流程圖。從圖4中可以看出，如果儲能設(shè)備得到的功率增加，則按原方向擾動光伏電池工作點，否則，要向相反的方向擾動。當 W1-W2<W0 時，認為當前W1 和 W2 的功率相當，其中 W0 為較小的功率閾值。通過擾動使儲能設(shè)備最終獲得最大功率，而此時光伏電池的輸出功率可能不在最大功率點處，但是，在這種情況下，當前光伏電池的輸出功率與 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率乘積最大，即儲能設(shè)備獲得的功率最大，因此光伏功率與效率的比值最優(yōu)，從而使儲能設(shè)備得到的功率最大。

4 儲能設(shè)備的選取與充電管理

隨著鋰離子化學(xué)電池在各種電子產(chǎn)品設(shè)計中的使用越來越普遍，鋰電池充電的創(chuàng)新解決方案也越來越多。為了獲得最大程度的系統(tǒng)靈活度，我們可以使用旨在提高充電速率和電池壽命的獨特充電算法，利用微處理器來控制電池充電過程，此方法還能在更高電壓的電池組中實施。

這里的儲能設(shè)備選擇鋰電池，是由于其良好的充放電特性，且被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品。鋰電池有靈活的充電方式，但是鋰電池充電過程中連續(xù)最大充電電流不能超過 1C(C 是電池標稱容量對照電流的一種表示方法 )，否則會造成對鋰電池的損壞。其充電截止電壓為 4.2 V( 有的鋰電為 4.1 V，主要是由于電極材料的不同導(dǎo)致的截止電壓不同 )，充電狀態(tài)由 MSP430進行嚴格的控制，可保證充電安全和電池的使用壽命。由于過度充電和過度放電都會導(dǎo)致鋰電池壽命的大大縮短，因此，對電池的實時監(jiān)控也是設(shè)計中必不可少的。

5 MPPT 變換器效率及硬件電路設(shè)計

實現(xiàn)光伏電池 MPPT 變換器的關(guān)鍵除了高效的控制程序外，還包括 MPPT 變換器的效率問題。而 MPPT 變換器的效率主要依賴于 BUCK 轉(zhuǎn)換器的效率。假設(shè) MPPT 變換器使光伏電池工作在最大功率點處，由于 MPPT 變換器的效率很低，此時儲能設(shè)備獲得的功率也并不高！因為有相當大的一部分功率浪費在了MPPT 變換器及其它供電設(shè)備 (比如單片機控制器等 ) 上。

圖 5 常用的 MPPT 變換器原理圖

圖 5 所示是一種常用的 MPPT 變換器設(shè)計方案，經(jīng)筆者測試，該類設(shè)計方案主要存在以下幾個問題 ：其一是在高速開關(guān)頻率下，開關(guān)管會出現(xiàn)振鈴效應(yīng)和拖尾現(xiàn)象，從而使得開關(guān)管上的功耗增大，電路的效率降低 ；其二，此電路為非同步整流電路，在電路工作的過程中，續(xù)流二極管會消耗一定功耗，降低了電路的效率 ；其三，在 PWM 驅(qū)動方面要專門為開關(guān)管設(shè)計驅(qū)動電路，并且驅(qū)動電路要有獨立的電源，由于光伏系統(tǒng)的電源并非穩(wěn)定的電源，這樣就增加了電路設(shè)計的困難及復(fù)雜度。

該類變換器的工作原理為 ：通過單片機輸出 PWM 信號來控制驅(qū)動電路，并通過驅(qū)動電路控制功率管使光伏電池輸出最大功率。但是，由于電路自身硬件結(jié)構(gòu)的限制，其效率很難達到 80% 以上，而且當單片機的 PWM 輸出占空比較低時，光伏電池的平均功率很難通過 MPPT 變換器向儲能設(shè)備提供，這樣就造成了光伏電池功率的嚴重浪費。當 MPPT 變換器的效率在 80% 以下時，即使光伏電池工作在最大功率點處，儲能設(shè)備得到的功率也很低，因而失去了 MPPT 變換器的實際利用價值。

鑒 于 以 上 問 題， 本 文 提 出 基 于 TI 公 司 生 產(chǎn) 的TPS62050芯片來實現(xiàn) MPPT 變換器功能的方案。該芯片內(nèi)部集成了開關(guān)功率管，是一款典型的 BUCK 轉(zhuǎn)換器，且其同步降壓型的控制電路異常高效，其典型效率圖如圖 6 所示。

圖 6 TPS62050 典型效率圖

對于所有的 BUCK 轉(zhuǎn)換器來說，效率與輸入輸出電壓差成反比，而且在輕負載情況下，固定頻率 PWM 轉(zhuǎn)換器的效率還將顯著降低。在這種情況下，TPS62050 提供了節(jié)電模式 (PFM 模式 ) 以提高其效率。根據(jù)工作情況，通過單片機MSP430 控制轉(zhuǎn)換器在輕負載電流條件下使用 PFM 模式，而在較重負載電流條件下，則使用 PWM 模式，這樣可使轉(zhuǎn)換器在寬泛的輸出電流下保持很高的效率。

TPS62050 的電路效率圖如圖 7 所示。從圖 7 可以看出，該芯片在輸出電流為 200 mA 時，其效率高達 93%，而選用的光伏電池為開路電壓 10 V，短路電流 190 mA。按照通常經(jīng)驗，光伏電池的最大功率點大約為其開路電壓的 85%，即8.5 V，而鋰電池的充電電壓為 3.6~4.2 V。這樣，由圖 7 可以得出，在該 BUCK 轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為 8 V，輸出電壓為3.6~4.2 V 時，該芯片的效率在 90% 左右，而且該芯片的輸入電壓為 2.7~10 V 的寬電壓輸入，從而使得電路的應(yīng)用范圍更加廣泛。但是在實現(xiàn)過程中，仍要控制 BUCK 轉(zhuǎn)換器的占空比。本文通過 MSP430F1611 單片機控制數(shù)字電位器的阻值來控制 TPS62050 第 5 腳 FB( 反饋端 ) 的分壓，從而間接地改變 BUCK 轉(zhuǎn)換器的占空比，實現(xiàn)光伏電池輸出功率的改變與MPPT 變換器的高效，兩者的最優(yōu)比可使儲能設(shè)備獲得最大功率。其系統(tǒng)控制電路如圖 8 所示。

6 仿真實驗數(shù)據(jù)分析

表 1 是在相同光照和溫度下，光伏電池功率與 MPPT 變換器在不同效率下，儲能設(shè)備所獲得的功率數(shù)據(jù)。

從表 1 可以看出，當光伏電池最大的輸出功率 (MPPT)為 1 071 mW、MPPT 變換器的效率為 87% 時，儲能設(shè)備得到的功率為 932 mW。而在光伏電池輸出功率為 1 056 mW、MPPT 變換器的效率為 90% 時，儲能設(shè)備得到的功率為950 mW，在這種情況下，儲能設(shè)備可獲得最大功率。

通過 Matlab 仿真表 1 所列的數(shù)據(jù)，可得到圖 9 所示的不同效率下 MPPT 變換器光伏電池功率與儲能設(shè)備所獲得的功率關(guān)系圖。

圖 9 在 MPPT 變換器不同效率下光伏電池功率與儲能設(shè)備獲得功率關(guān)系圖

從圖 9 可以看出，光伏電池的輸出功率先是增大到最大功率點處，然后逐漸減小，儲能設(shè)備獲得的功率變化也是這樣。從圖 9 中還能直觀地看出，當光伏電池輸出最大功率時，儲能設(shè)備并未獲得最大功率，而通過單片機控制，當光伏電池輸出功率與 MPPT 變換器效率在最優(yōu)比的情況下，儲能設(shè)備可獲得最大功率，即此時儲能設(shè)備將從光伏電池中獲得更多的電能。

7 結(jié) 語

通過仿真驗證，采用低功耗單片機 MSP430F1611 控制數(shù)字電位器來間接控制 MPPT 變換器 TPS62050，可以實現(xiàn)儲能設(shè)備的最大功率點跟蹤，該控制器通過高效的算法和合理的硬件電路，能夠最大限度地利用光伏電池給鋰電池充電。但該控制器僅為單個控制，在以后的工作中可以進一步改進，比如將該系統(tǒng)做成分布式系統(tǒng)，將每個子系統(tǒng)作為分機，然后通過 ZigBee 等無線技術(shù)把各個子系統(tǒng)的狀態(tài)值發(fā)送到基站總體進行遠程監(jiān)控。這樣有利于集中監(jiān)測和管理處于不同位置的分機，極大地減少人力、物力和財力，也更方便維護分機。

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