一种具有MPPT系统的光伏三阶段充放电控制器的研究

2013-09-01陈建伟

电气技术 2013年9期

陈建伟

（许继变压器有限公司，河南许昌 461000）

对于一些孤岛、偏远的山区或移动发射基站，其能量的供应不能够从电网获得，因此需要配备专门充电供电电源，供生活或移动基站的正常工作所用。由于分布式发电特别是光伏发电技术的发展给这些地区带来方便。光伏发电可以做大功率的并网发电，同时也可以单独构成独立发电系统对负载进行供电。独立光伏发电系统的最基本组成如图1所示。蓄电池可以通过充放电控制直接连接直流负载或者对蓄电池进行充电后再经过逆变器对交流负载供电。从图1可以看出无论是通过控制器的直流供电系统还是通过蓄电池并联后经逆变器构成的交流供电系统，充放电控制器和蓄电池都是的光伏供电系统重要组成部分。充放电控制器主要实现把蓄电池不稳定的直流电压对蓄电池进行充电，同时完成对光伏电池对蓄电池进行充电时的最大功率点进行跟踪。因此光伏充放电控制器在整个独立供电系统起到至关重要的作用。其性能直接影响整个系统的安全性、可靠性、稳定性以及效率。设计出性能良好的控制器是整个供电系统成功的关键点之一。

图1 独立光伏发电系统基本构成框图

1 充放电控制器的主电路及工作原理

在蓄电池充放电控制器采用的主电路类型主要有 Buck型、Boost型以及 CUK型变换电路.Buck电路主要实现降压变换，Boost电路主要实现升压变换而CUK变换器主要实现升降压变化。根据光伏电池以及蓄电池特性选择主题为Buck电路较为合适。图2为采用Buck电路构成的蓄电池充放电控制器的主电路图。其中 PV1代表光伏电池板，D4为功率二极管或专门制作的汇流箱，可以用来保证蓄电池不能反向对光伏电池板放电，电感L以及电容C为输出滤波器件，V3为放电或负载开关，V2为同步整流管。从图2可以看出光伏电池发出的能量经过Buck变换器后一方面直接对蓄电池进行充电把能量储存起来，同时还可以对负载进行供电。在夜晚或阳光不是很充足的情况下，蓄电池还可以通过开关器件V3对负载进行供电。

图2 充放电控制器的主电路图

2 电控制器最大功率实现方法及控制策略

光伏控制器关键技术是在实现三阶段充电控制的同时实现对光伏发电的最大功率点进行跟踪。通过检测充电电流以及蓄电池端电压实时调节开关管的占空比来实现对光伏电池工作电压的调整，从而达到对最大功率点进行跟踪的目的。蓄电池充电阶段分为全冲、恒压以及浮充，在充电的第一阶段其端电压一直上升，在第二阶段蓄电池电压端电压保持不变，并且在第一、第二阶段充电电流始终要大于1%的蓄电池容量。第三阶段，蓄电池充电电流很小，但其端电压在充电过程中会有所下降。根据充电特征绘制其充电控制系统的流程图如图3所示。从流程图可以看出在充电的三阶段过程中只对第一阶段进行最大功率进行跟踪，其余阶段不进行跟踪。同时蓄电池在充电过程中，当温度过高会出现蓄电池不能充满或温度过低时会出现蓄电池过冲现象。为了延长蓄电池的使用寿命，在充电过程的第二、第三阶段必须对蓄电池的充电电压进行补偿。在实际执行过程中，当温度高于25℃时降低充电电压；当蓄电池温度低于25℃时提高充电电压。

图3 带有MPPT的三阶段充电控制流程图

3 控制器的主电路参数计算及器件的选择

控制器实现的是对48V/60A的蓄电池组进行充放电控制，光伏组件选择单块电池板的开路电压为21.5V，单块电池板的短路电流为5.1A.考虑光伏系统的配置性价比以及发电效率，选择光伏组件4组串联的光伏电池板串联后，再14组并联使用，可以满足要求。为了设计和选型的方面，功率管 V1、V2、V3选择相同的功率 MOSFET。功率管上所承受的稳态电压最大值大约为 90V，流过开关管中的电流最大值为 60A左右，因此选择型号为SUB85N104的功率管并联，完全满足要求。为了保证在充电第一阶段实现最大功率跟踪时电流的波动较小，一般选择工作电流的10%，功率管的频率设计为 60kHz，Buck最佳的占空比为 0.6，同时导通时不考虑V2上的压降，计算出：

可选择150μH滤波电感即可满足要求。电容器C主要用来滤掉高频信号，可以选择300V/1μF的无极性电容器即可满足要求。

4 续流二极管的同步整流

由于充电控制器的额定电流可以达到 60A，如采用普通的电力二极管作为Buck的续流二极管。电力二极管自身的管压降较大，一般为0.7V左右，当使用电力二极管整流时，二极管上的损耗为

P=UI=0.7× 60 =42W

而使用同步整流时，采用4个完全一样的功率管并联使用时，功率管导通电阻为 0.0085Ω，当通过额定电流时，功率管上的损耗为

P=I2R= 602× 0.0085/4=7.65W

可见，采用同步整流技术能够大大降低整流器件上功率损耗，特别当需要整流的电流较大时，使用同步整流技术对提高整个控制器的效率非常明显。

5 仿真结果以及结论

一般1个光伏电池板在光照1000W/m2，环境温度T=25℃时，其开路电压为22V，其最大功率点的电压16V左右，其短路电流5.6A，最大功率点电流为5.2A，为了能够对48V60A的蓄电池进行充电，采用5个电池板进行串联为1组，为了满足充电电流的要求，再把这样16组串联的光伏电池板并联连接在一起。针对这种光伏充电器的工作环境，在Matlab/Simulink环境下，建立充电模型。

图4为进行最大功率跟踪的仿真波形，图5为蓄电池充电时 Buck电路驱动电压以及充电电流波形。从图 4可以看出对于光伏电池的最大功率的跟踪速度以及跟踪效率均可满足要求，图5为蓄电池在第一阶段的充电电压以及Buck变换器中开关管驱动电压波形以及电感中的电流波形，仿真波形与理论分析完全一致。可见所采取的充电控制措施器件的参数选择是完全正确的。