光伏充电系统设计研究

2020-01-01顾潇李贺

中国设备工程 2019年23期

顾潇，李贺

（1.上海大学，上海 200444；2.国网上海市电力公司浦东供电公司，上海 200122）

太阳能电池在被使用时所输出的电流、电压会受到诸多因素的干扰，例如：外界环境状况、光照强度、负载情况等，原有的恒压、脉冲等传统充电方式已经能满足当前的需要。对光伏充电系统而言，不但可以完成最大功率点的追踪，又可以有效延长蓄电池的使用寿命。笔者所研究的光伏充电系统是以Cuk 电路为充电主回路，以dsPIC30F5011 单片机为主控制器，以光伏电池电压电流和蓄电池端电压、蓄电池温度以及充电电流为基本检测目标的；此外，它还按照蓄电池电压的差异，分为四个作业阶段，分别是欠电压充电、快速充电、过充和浮充。那些被过量使用的蓄电池可以借助涓流进行激活操作，最大功率点可以及时追踪并体现外界环境的实时变化，从而提升光伏阵列的利用率；过充令蓄电池满电，而浮充则是为了弥补由于蓄电池自身放电损失掉的电量。

1 系统硬件电路设计

辅助电源、太阳能光伏阵列、蓄电池、核心单片机控制电路、驱动隔离电路、采样电路、LCD 显示电路、显示灯和按键电路、保护电路、DC/DC 转换电路等共同构成了光伏充电系统。

在一个光伏充电系统中，单片机控制电路作为此系统的关键，通过采样电路对光伏电流、电压，蓄电池电压、电流及温度等关键参数的采集，进而评估蓄电池的充电状态。另外，依据不同的充电形态，我们选择适宜的充电算法控制PWM 的占空比，并且通过驱动隔离功率管对蓄电池完成充电，然后经由SCI 口像LCD 显示器里传输所需的数据信息，使用者就能够在显示器当中对光伏电流及电压、蓄电池电流及电压、外界环境状况等重要的系统数据进行查找，同时又可以通过指示灯对系统状态进行检测。

其中，辅助电源给驱动隔离电路提供+24V 电源，给采样电路提供+-12V、+5V 电源，给显示电路和控制电路分别提供+5V 电源；保护电路给系统提供过电流和过电压、过热以及过充保护，从而确保系统的流畅运作；与此同时，软启动电路能够有效减少系统启动环节中引起的各类冲击。主回路能够选用的拓扑包括buck、boost、Cuk 电路等。在这些电路中，boost 电路仅可以完成升压操作，buck 电路相反只能够作降压处理，所以电路缺乏足够的实用性；即使有些电路可以同时完成升压与降压，但是由于电流纹波太大，故也不是非常适用。因此，本文相较之下选择了Cuk 电路当作光伏试验系统的主回路。我们主要考虑的是Cuk 电路输出电压范围较大，同时其电路结构也丝毫不烦琐，在具备连续性电流输入及输出功能的同时，又拥有较小的纹波分量，再加上对输入及输出电感耦合的相关处理，便能够发挥良好的滤波效果。除了有助于收集电流外，还有助于蓄电池使用时间的延长。

2 系统软件设计

本文所设计研究的光伏充电系统程序主要是由系统主程序、PI 调节、电压及电流采集、PWM 波输出、最大功率点跟踪、按键处理、系统状态数据输送等共同构成的。

（1）光伏充电主程序。依照蓄电池端电压由低到高，光伏充电系统的基本环节主要包括欠压充电、高速充电、过冲和浮充等几个方面。由此设计了光伏充电的程序，其基本的流程图如图1 所示。

图1

（2）最大功率点跟踪。下面我们对最大功率点跟踪的主要原理进行详细的解析：即对某个特定内阻的线性电路，根据内外阻值相同的方法取得最优的充电功率，对于光伏充电系统则可借助对相关转换电路里开光管的导通率，即为对开光管中PWM 波占空比进行改动，进一步恒定蓄电池的内部阻力，上述便是最大功率点跟踪的主要原理。特别需要注意的一点为，如果充电电流超出最大限定值时，我们需要利用最大功率点跟踪算法，以最高功率给蓄电池充电。

（3）PI 调节。如果我们对蓄电池不合理操作和使用，将会导致蓄电池端电压小于预设定的数值，如此一来，我们就需要用到PI 调节算法，并且借助预设的额定充电电流来展开充电活动，这样做的目的是激活蓄电池；与此同时，使用最大功率充电蓄电池的电量只能回复到额定电量的五分之四，此外还必须根据PI 调节算法设定一个较为稳定的电流值完成对蓄电池的充电操作，从而使得蓄电池电量能够达到最大额定值；考虑到蓄电池自身会释放电流，为弥补由于蓄电池自身放电而流失掉的电量，此时就应当使用具备温度补偿的PI 调节算法，同时利用伴随外界温度变动而变动的浮充电压，更低的电流对蓄电池进行充电操作。

3 实验结论与分析

结合上文中的研究，要想保证蓄电池的连续充电，实现最大功率点的实时追踪，我们在有关的试验中就需要使用到1kW 长弧对太阳能电池板进行仿真模拟。下面的图2 反映的是光伏充电系统在最大功率点处运行的波形图，其中CH1、CH2 代表的分别为充电电压与充电电流。

图2

根据图2 内容可知，当光伏电池在最大功率点处运行时，充电电流干扰不大而且充电电压较为稳定。除此之外，我们也设计了光伏充电设备，目的是完成对蓄电池的四段法充电，并且拥有较高的精确度。为考证光伏充电系统最大功率点追踪的各项性能，在快速充能阶段，借助对长弧灯和电池板二者间距离的改动可以调节光照，并且系统能够快速搜寻至最大功率点处，同时维持稳定状态。