基于MPPT的智能太陽(yáng)能充電系統(tǒng)研究

太陽(yáng)能是一種清潔高效的可再生能源。在陽(yáng)光充足的白天，屋頂?shù)墓夥姵貙⑻?yáng)能轉(zhuǎn)化成電能，供人們?cè)谝雇硎褂?。?jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，到2040年，全球的光伏發(fā)電量將占世界總發(fā)電量的26％，2050年后將成為世界能源的支柱。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤

最大功點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT)系統(tǒng)是一種通過(guò)調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。圖1示出光伏電池輸出功率Pb與輸出電壓ub和輸出電流ib的關(guān)系。圖中A為普通控制器使光伏電池工作在12V，僅輸出53W時(shí)的功率點(diǎn)(一般功率點(diǎn))；B為MPPT控制器使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)，從而 輸出高達(dá)75W時(shí)的功率點(diǎn)(最大功率點(diǎn))。

最大功率點(diǎn)主要受環(huán)境溫度和太陽(yáng)光強(qiáng)的影響。在太陽(yáng)光強(qiáng)不變的情況下，隨著溫度的升高，光伏電池的開(kāi)路電壓降低，最大輸出功率隨之降低。當(dāng)溫度不變，太陽(yáng)光強(qiáng)增加時(shí)，光伏電池的開(kāi)路電壓基本不變．短路電流大幅增加，最大輸出功率大幅增加。圖2示出線性系統(tǒng)電路圖。

首先，計(jì)算消耗在R1上的功率為：

       　　
然后，式(1)兩邊對(duì)R1求導(dǎo)可得：

       　　
由式(2)可得，當(dāng)r=R1時(shí)，dP1／dR1=0，此時(shí)P1取最大值。

由于光伏電池系統(tǒng)受到光強(qiáng)、溫度、太陽(yáng)光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓ub、輸出電流ib和內(nèi)阻r也處于不停變化之中。只有使用DC／DC變換器實(shí)現(xiàn)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化，才能保證光伏電池始終輸出最大功率。

MPPT需要及時(shí)準(zhǔn)確地采樣蓄電池當(dāng)前的充電電壓和充電電流。兩者相乘得到當(dāng)前的充電功率，與前一時(shí)刻的充電功率相比較，調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)。圖3示出具體的控制策略。

3 MPPT的硬件設(shè)計(jì)

由于光伏電池的輸出特性呈非線性，且變化幅度較大，所以使用單端反激式變換器。該變換器由升降壓變換器加隔離變壓器推演而來(lái)，能夠簡(jiǎn)單高效地提供直流輸出，廣泛用于功率100W左右的小型開(kāi)關(guān)電源中?？刂破鞴ぷ饔陔娏鲾嗬m(xù)模式。

圖4示出MPPT的硬件設(shè)計(jì)原理。其中，微控制器采用MC68HC08SR12微處理器，使用A／D模塊采樣電源的輸出電流和輸出電壓，繼而調(diào)節(jié)PWM占空比，最終實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。MPPT控制策略的效果好壞直接取決于電壓和電流的采樣是否精確。

圖5示出電壓采樣電路。它采用光耦PC817和三端穩(wěn)壓管TLA31相配合。TLA3l是一種可編程穩(wěn)壓管，當(dāng)變壓器的次級(jí)輸出電壓uout變化時(shí)，光耦的輸出電壓隨之變化，A／D會(huì)采樣到當(dāng)前的充電電壓。

圖6示出電流采樣電路。由它對(duì)采樣電阻Rsam兩端的電壓進(jìn)行采樣，并使用差分式運(yùn)算放大器放大輸出到MCU的A／D采樣端，從而得到主電路中的電流值。由于信號(hào)需要精確采樣，并且與電源隔離，因此使用線性光耦HCNR200。另外，單片機(jī)及周邊電路的用電可直接通過(guò)蓄電池隔離變壓得到，系統(tǒng)無(wú)須外部電源供電，十分方便。

4 軟件分析

由于太陽(yáng)光強(qiáng)和環(huán)境溫度的變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程，故參數(shù)采樣無(wú)須高實(shí)時(shí)性，每隔幾秒鐘采樣一次即可滿(mǎn)足要求。產(chǎn)生中斷的時(shí)間間隔是可以調(diào)整的，初期較短，可以迅速逼近最大功率點(diǎn)；后期較長(zhǎng)，防止系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近振蕩。為防止系統(tǒng)誤判斷，每次控制比較，均進(jìn)行3次，當(dāng)3次的結(jié)果一致時(shí)，才實(shí)施相應(yīng)的控制策略，否則重新采樣比較，這樣便最大限度地保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。圖7示出實(shí)現(xiàn)MPPT的軟件流程。

　　
由于單片機(jī)與開(kāi)關(guān)電源一起工作，相互間的電磁干擾較大，而A／D采樣要求精確。故需要使用軟件數(shù)字濾波。這里采用均值濾波，即通過(guò)多次采樣求平均值的方法，以達(dá)到去除干擾的目的。

蓄電池采用循環(huán)充電方式。以12V蓄電池為例，在充電電壓達(dá)到14.7V最高限制電壓后．保持該電壓繼續(xù)充2～4小時(shí)達(dá)到飽和。最大充電電流不允許超過(guò)額定容量的25％(如容量為100A時(shí)的蓄電池，最大充電電流為25A)。采用保險(xiǎn)絲實(shí)現(xiàn)硬件電路的過(guò)流保護(hù)。圖8示出軟件保護(hù)示意圖。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與展望

表1給出了系統(tǒng)的主要組成部分及性能指標(biāo)。圖9反映了2005年12月20日早上9點(diǎn)到下午4點(diǎn)的功率P，MPPT充電器的充電情況及最大功率點(diǎn)的變化情況。12月20日的天氣變化較快，時(shí)而有陽(yáng)光，時(shí)而多云，時(shí)而陰沉。最高M(jìn)PPT可達(dá)到50W，最小只有5W左右，這反映出太陽(yáng)能電源輸出功率的多變性。

經(jīng)測(cè)試，該MPPT充電系統(tǒng)反映出了太陽(yáng)能電源輸出功率的多變性，并可以快速跟蹤最大功率點(diǎn)，這對(duì)光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定高效工作起到了至關(guān)重要的作用。努力提高系統(tǒng)的效率和可靠性，進(jìn)一步改進(jìn)MPPT算法，則是下一步研究的重點(diǎn)。