独立光伏发电系统中太阳能充电器的设计

汤秀芬， 张 鑫， 米 晨

(宁夏大学 a.物理电气信息学院;b.设备与物资管理处，宁夏 银川 750021)

0 引言

在独立光伏发电系统中，利用光伏阵列来收集太阳能，再经过直流-直流(DC-DC)变换器给蓄电池充电。由于日照时间是无法人为调节的，而光伏阵列的容量也由系统的投资所限制，仅用常规的充电策略不能达到高效利用的目的。如果阵列输出不足以提供蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，阵列最大功率点跟踪(MPPT)方式的能量能全部利用;相反，阵列输出能量超过蓄电池在当前充电情况下的充电所需能量时，阵列就不能运行在MPPT方式，太阳能将没有得到充分利用，造成浪费。而在大多数的实际场合，常用充电管理系统中，虽然阵列由于蓄电池接受电流小，不能运行在MPPT方式下，但蓄电池充电至无太阳能输出时还是在欠充状态，这无疑是充电管理方法不当造成的[1]。

本文以目前独立光伏系统主流使用的阀控铅酸蓄电池(VRLA)为研究对象，在设计太阳能充电器时，既要考虑太阳能电池的MPPT，又要考虑蓄电池的充放电特性。提出采用“马斯定律”可接受充电电流和太阳能光伏阵列最大功率跟踪相结合的方法，并对系统中VRLA蓄电池进行高效充电管理，实现系统能量最大利用和延长蓄电池的使用寿命。

1 太阳能充电器的硬件设计

系统硬件由直流-直流(DC-DC)功率变换器和检测与控制电路组成。负载对象为某小区的地埋灯照明系统，光伏阵列的选用是根据负载要求、蓄电池性能和转换电路的损耗等情况来确定光伏系统所需的功率，即计算所需光伏阵列的输出功率。选用江苏省靖江市星光太阳能电池部件有限公司的型号为XG-180多晶硅光伏电池组件，具体参数为标准条件(日照强度1 kW/m2、大气质量 AM1.5、电池结温25 ℃)时，最大输出功率PM=180 W，开路电压UOC=46.26 V，短路电流ISC=5.7 A，最大工作电压UM=36 V，最大工作电流IM=5 A。VRLA蓄电池采用风帆股份有限公司的型号为6-DZM-100的12 V 100 A·h电池，蓄电池组采用4块铅酸蓄电池串联组成，额定电压为48 V。适用于光伏发电系统的功率变换电路拓扑有 Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk电路等，由于本系统中只需要实现升压，所以采用电路结构简单、转换效率高的Boost电路作为充电控制器的主电路。

1.1 DC-DC功率变换电路

功率变换Boost电路由储能电感L、滤波电容C、功率开关管S和续流二极管D等组成。Up为光伏阵列的输出电压;Ub为Boost电路输出至蓄电池的电压。电路是一种将输入电压升高的非隔离直-直变换器，通过控制开关管的占空比可以控制升压变换器的输出电压。根据电感电流是否连续，Boost变换器可分为连续工作模式、临界连续工作模式和不连续工作模式，实际光伏发电系统要求运行在连续工作状态，输入电压与输出电压的关系为

改变开关管占空比可控制系统按照希望的电压运行。

电路拓扑如图1所示[2-3]。Boost主电路主要针对升压电感参数和输出支撑电容参数进行设计，经计算选用电感L=2 mH，电容C=200 μF;开关管采用英飞凌公司的IGBT。

1.2 监测与控制电路

图1 Boost变换器原理图

充电器的监测与控制电路主要由单片机XC164CM和电压、电流、温度检测等单元组成，如图2所示。

图2 充电器监测控制电路框图

选用16位单片机XC164CM作为控制电路的核心，时钟频率为40 MHz，具有丰富的内部源:拥有64 KB片上可编程Flash，4 KB片上RAM;拥有专门的高速PWM输出口CCU6，能方便地设置上下桥比的死区时间;具有14路的10位ADC转换器及定时器模块等[4]。在该系统中，采样光伏阵列的输出电压 Up和输出电流Ip，以及蓄电池的充电电压Ub和充电电流Ib。利用单片机内部定时器模块的定时器中断服务子程序计算出Up和Ip的乘积，找到最大功率点所对应的电压UPR。利用单片机中捕获比较单元的定时器中断，完成由Up和Ub构成的电压环的计算，得到占空比D，通过PWM模块输出，驱动功率开关管S，并根据Ub和Ib完成充放电的管理和监护。

充电过程中，蓄电池的温度[5]是一个很重要的参数。因此充电器中蓄电池温度检测是必须的。本充电器的温度信号直接送入单片机的模拟信号接口，使单片机根据不同的环境温度自动调整充电过程中的各转换电压值，进行优化充电。

2 最大功率点跟踪

光伏系统最大功率点跟踪方法很多[6-11]，目前比较常见的方法有恒压追踪法、扰动观察法和电导增量法等，由于扰动观察法只需获得电压及电流参数，算法简单、易于实现，故本系统中采用的是扰动观察法。

充电器的控制对象为Boost变换器的输入电压UP，通过MPPT算法，调节DC/DC变换器PWM波的占空比，达到最优的阻尼匹配，找到UPR，并通过数字PI算法使光伏电池输出功率达到最大值。光伏系统输出功率P和PWM占空比D的关系见图3[12]。

扰动观察法是通过改变Up，并给予一定的扰动，实时地采样Up和Ip，计算出它们的乘积，得到光伏电池此刻的输出功率Pk，将其与上一采样时刻的功率Pk－1相比较，若大于上一时刻的功率，维持原来的电压扰动方向;若小于上一时刻的功率，则改变电压扰动的方向。这样确保了Up向着使输出功率增大的方向变化，从而实现MPPT。基于Boost电路的扰动观察法算法流程如图4所示。

图4 基于Boost电路的扰动观察法算法流程图

3 优化充电的控制策略

在光伏发电系统中，蓄电池的充放电控制技术会直接影响系统的性能。充电控制方法一方面影响到蓄电池荷电量的大小;另一方面关系到其使用寿命。对铅酸蓄电池的充电有恒流充电、恒压充电、恒压限流充电、两阶段充电、三阶段充电等方法，由于在独立光伏系统中，蓄电池的寿命直接决定了系统的寿命，所以不能简单地使用恒流充电或者恒压充电，必须对蓄电池的充电进行更好的控制和保护[13-14]，为此提出优化的三阶段充电策略。

三段式充电法的恒流充电电流Ibs，恒流到恒压的转换电压是57.2 V，浮充充电电压是54.4 V。本充电器主程序流程图如图5所示。

图5 充电器主程序流程图

接通电源后，充电器在单片机的控制下进行初始化(包括蓄电池安时数、充电电流倍数值设定)和读取蓄电池的充电电压Ub和电流Ib。充电器充电过程分为涓流短时充电、恒流充电、恒压均衡充电和浮充充电4个阶段。

3.1 涓流短时充电

涓流短时，充电用于蓄电池在充电初期已处于深度放电的情况，以稳定的0.1C小电流涓流充电有利于激活蓄电池内的反应物质，避免大电流充电对蓄电池造成损害，此阶段由单片机启动定时电路控制。

3.2 恒流充电阶段

恒流充电阶段，蓄电池的荷电状态比较低，蓄电池采用比较大的恒定电流充电。但如果阳光不充足，光伏电池最大输出功率小于设定恒流充电值Ibs时，蓄电池吸收的功率则会出现不能维持设定充电电流的情况。光伏电池所能提供的最大充电电流小于Ibs，这时无论如何调整占空比D，都不能维持蓄电池的充电电流为Ibs，误差长期存在。同时，由于PI恒流充电算法中积分环节对误差的累积作用，会使DC/DC变换器的占空比逐渐趋于极限值，而该极限值一般不对应最大功率点时的占空比D，从而导致充电效率降低。Ib－D的关系曲线如图6所示[15]。

图6 Ib－D关系曲线

在这种情况下，为了提高充电效率，比较合理的方案是优化恒流充电方案，PI恒流充电算法与MPPT充电算法结合，这样才能以最接近Ibs的电流为蓄电池充电。而算法需要考虑的重要问题是PI恒流充电算法与MPPT充电算法之间的切换判据。如图3所示，最大功率点M的明显特征是dP/dD发生变号。如果设定初始工作点在最大功率点左侧，PI恒流充电和MPPT充电之间的切换判据为Ib＞Ibs且dP/dD＞0时，则一定会存在PI恒流充电的稳定工作点，MPPT充电切换为PI恒流充电;当Ib＜Ibs且dP/dD＜0时，PI恒流充电切换为MPPT充电。由于切换是在dP/dD刚刚发生变号时进行的，因此，切换点非常靠近最大功率点M;如果希望系统工作在最大功率点右侧，则判据应改为，当Ib＞Ibs且dP/dD＜0时，MPPT切换为PI恒流充电;当Ib＜Ibs且dP/dD＞0时，PI恒流充电切换为MPPT充电。MPPT与PI程序流程图如图6所示。

图6 MPPI与PI程序流程图

3.3 恒压充电阶段

当端电压上升至恒压均衡充电的电压转换值57.2 V时，转入恒压均衡充电阶段，蓄电池容量继续快速恢复。与恒流充电情况类似，同样会出现日照不足时不能维持给定电压的情况，也需要从PI恒压充电算法切换为MPPT充电。切换判据与恒流充电类似，只是控制对象换为充电电压，即PI恒压充电切换为MPPT的判据为充电电压 Ub＜UPS，且 dP/dD＜0;MPPT切换为PI恒压充电的判据为Ub＞UPS且dP/dD＞0。本阶段结束的判定依据是蓄电池端电压产生负增量或充电电流逐渐减小降至小于1 A。

3.4 浮 充

满足判定条件后转入54.4 V的浮充充电阶段，该阶段用来补充蓄电池自放电所消耗的能量，由于浮充充电算法与恒压充电算法类似，只是电压设定值不同，因此两者判据一致，不再赘述。经过定时控制后，充电过程结束。另外，充电过程中充电器随时检测蓄电池的温度，温度过高时，即使蓄电池进入浮充充电状态。

4 实验结果

将8块12 V 100 A·h的电池分成两组，4块串联为一组，分别对它们进行充电实验。第一组采用无MPPT充电方式;第二组采用有MPPT充电方式。表1实验数据显示:在同等条件下，接入MPPT装置后，蓄电池的充电电流比无MPPT装置情况下充电电流要高，蓄电池所接受的功率有了一定的提高，达到了预期目的。表2实验数据显示出有MPPT充电器充电时测得的充电器的电压、电流及效率数据，可以看出，充电器平均效率η≈91.5%。

表1 有MPPT和无MPPT充电器充电电流比较表

表2 有MPPT充电器充电效率表

5 结语

在研究独立光伏系统特点的基础上，分析了基于PI算法的三段式充电方法的失败原因，提出了MPPT与三段式充电相结合的充电策略，充电过程以三阶段充电为基准，采用分段设定参考电压的方式实现对电池状态的判断。实验验证了独立运行太阳能光伏转换系统中MPPT充电器的可行性，充电策略能充分利用太阳能，提高蓄电池的充电效率。

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