基于Buck拓扑的光伏充电控制器设计

2014-05-11刘立强严全忠

通信电源技术 2014年3期

刘立强，韩光，严全忠

(天宝电子(惠州)有限公司研究院，广东惠州516005)

在一些边远无电地区，太阳能路灯、离网储能系统有很大的应用空间。太阳能光伏充电器将太阳能光伏阵列上的能量转换为电能存储在蓄电池中，供负载使用。相对传统的太阳能充电器，带MPPT功能的光伏充电控制器可以最大限度利用太阳能板。本文提出一种基于Buck拓扑的光伏控制器，该控制器带MPPT充电功能，同时兼具三段式充电的优点［1］。最后设计了一台基于Buck拓扑的1.5 kW光伏充电控制器，测试结果表明该充电器具有很高的应用价值。

1 数学模型及工作原理

如图1所示，Upv和Ipv分别为太阳能板的电压和电流，Ubat和 Ibat分别为蓄电池的电压和电流，SW1、L1和D1分别为开关管、储能电感和续流二极管，设SW1的开关周期为T，占空比为D，可得:

太阳能板输出功率P1=UpvIpv;

图1 Buck变换器拓扑

蓄电池充电功率P2=UbatIbat;

忽略开关器件损耗，由能量守恒定律可知，

由式(1)可知，对蓄电池充电，Ubat和Ibat是控制对象，通过对蓄电池电压和电流检测与控制，便可实现太阳能MPPT和充电管理。

根据上述模型，设计了一款基于Buck拓扑的光伏充电控制器。本系统采用了多段式充电方式，充电前系统会自动检测电池状态，选择相应的充电模式。以额定电压为48 V的蓄电池为例:

(1)当蓄电池过放电时(＜43.2 V)，采用涓流充电方式，待蓄电池电压升至48 V时，切换到MPPT充电;

(2)当开机检测蓄电池电压≥48 V时，直接用MPPT方式充电;

充电过程中，蓄电池电压＞57.6 V时，切换到56 V恒压充电，当恒压充电电流小于1 A时，切换到55.2 V浮充，当充电电流小于0.6 A时，提示蓄电池已经充满。

2 系统设计

2.1 总体硬件设计

根据上述数学模型，系统总体设计图如图2。

2.2 硬件电路介绍

如图2所示，主电路采用了Buck拓扑电路，C1～C4分别为PV及电池侧电容，用来滤波，Q1、D1及L1分别为Buck电路中的功率开关管、续流二极管及储能电感。主电路中继电器SW1的作用:(1)防止当PV电压低于蓄电池电压时，蓄电池电流通过Q1寄生二极管“倒灌”，损坏太阳能电池板。(2)主触点阻抗小，可减少导通损耗。Is1为电流霍尔传感器，用来检测充电电流。FU1为快速熔断器，当蓄电池反接时，可保护流二极管D1。

图2 总体硬件设计图

PIC16F1829是Macrochip公司的一款采用nano-Watt XLP技术的20引脚闪存高性能单片机，管脚AN4、AN5、AN6、AN10分别为4路 AD 口，用来采样电压、电流及温度，RB6、RC5为I/O口，分别用来控制继电器和风扇工作。MCU发出的PWM信号通过光耦放大后驱动 MOS 管 Q1工作［2］。

2.3 系统软件控制策略

系统以PIC16F1829作为主控芯片，通过实时采样光伏阵列输出电压、蓄电池的电压和充电电流，将充电电压Ubat和充电电流Is1作为控制对象对光伏系统进行充电控制。整个充电过程可以分为四个部分:涓流充电、MPPT充电、恒压充电及浮充充电。下面重点讲述MPPT充电及恒压浮充充电控制策略。

(1)MPPT充电

本文的MPPT控制策略是实时检测蓄电池充电功率，采用一定的控制算法调整光伏阵列输出功率，实现最大功率跟踪。常用的MPPT算法有CVT、扰动观察法、电导增量法、最优梯度法等［3］。

本文采用恒压跟踪［4］(CVT)和变步长扰动相结合的方式，初期使用CVT，使输出功率快速达到最大功率点MPP附近，然后采用小步长跟踪到最大功率点，当功率变化时，根据变化的幅度采用不同的步长重新跟踪。该方法克服了单一步长的缺点，能根据实时的工作状况调整步长，快速准确地跟踪到最大功率点。其软件控制流程图如图3。

(2)恒压充电与浮充充电

当蓄电池的端电压超过过充保护阀值时，转换到恒压充电，通过PI调节使充电电压稳定在设定值。此阶段蓄电池的充电电流将随着其电势的升高而逐渐减小。在恒压充电结束时，蓄电池的容量基本接近充满，为了补偿蓄电池自放电损失，此时转入浮充充电模式。