基于MPPT的智能太陽能充電系統研究

太陽能是一種清潔高效的可再生能源。在陽光充足的白天,屋頂的光伏電池將太陽能轉化成電能,供人們在夜晚使用。據專家預測,到2040年,全球的光伏發電量將占世界總發電量的26％,2050年后將成為世界能源的支柱。

??? 2 最大功率點跟蹤

??? 最大功點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,簡稱MPPT)系統是一種通過調節電氣模塊的工作狀態,使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統。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的關系。圖中A為普通控制器使光伏電池工作在12V,僅輸出53W時的功率點(一般功率點);B為MPPT控制器使光伏電池始終工作在最大功率點,從而 輸出高達75W時的功率點(最大功率點)。

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??? 最大功率點主要受環境溫度和太陽光強的影響。在太陽光強不變的情況下,隨著溫度的升高,光伏電池的開路電壓降低,最大輸出功率隨之降低。當溫度不變,太陽光強增加時,光伏電池的開路電壓基本不變．短路電流大幅增加,最大輸出功率大幅增加。圖2示出線性系統電路圖。

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??? 首先,計算消耗在R1上的功率為：

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??? 然后,式(1)兩邊對R1求導可得：

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

??? 由于光伏電池系統受到光強、溫度、太陽光入射角等多種因素的影響,其輸出電壓ub、輸出電流ib和內阻r也處于不停變化之中。只有使用DC／DC變換器實現負載的動態變化,才能保證光伏電池始終輸出最大功率。

??? MPPT需要及時準確地采樣蓄電池當前的充電電壓和充電電流。兩者相乘得到當前的充電功率,與前一時刻的充電功率相比較,調節PWM的占空比,從而使光伏電池始終工作在最大功率點。圖3示出具體的控制策略。?

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??? 3 MPPT的硬件設計

??? 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,能夠簡單高效地提供直流輸出,廣泛用于功率100W左右的小型開關電源中。控制器工作于電流斷續模式。

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??? 圖4示出MPPT的硬件設計原理。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,繼而調節PWM占空比,最終實現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和三端穩壓管TLA31相配合。TLA3l是一種可編程穩壓管,當變壓器的次級輸出電壓uout變化時,光耦的輸出電壓隨之變化,A／D會采樣到當前的充電電壓。

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??? 圖6示出電流采樣電路。由它對采樣電阻Rsam兩端的電壓進行采樣,并使用差分式運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,單片機及周邊電路的用電可直接通過蓄電池隔離變壓得到,系統無須外部電源供電,十分方便。

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??? 4 軟件分析

??? 由于太陽光強和環境溫度的變化是一個緩慢的過程,故參數采樣無須高實時性,每隔幾秒鐘采樣一次即可滿足要求。產生中斷的時間間隔是可以調整的,初期較短,可以迅速逼近最大功率點;后期較長,防止系統在最大功率點附近振蕩。為防止系統誤判斷,每次控制比較,均進行3次,當3次的結果一致時,才實施相應的控制策略,否則重新采樣比較,這樣便最大限度地保證了系統的正常運行。圖7示出實現MPPT的軟件流程。

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??? 由于單片機與開關電源一起工作,相互間的電磁干擾較大,而A／D采樣要求精確。故需要使用軟件數字濾波。這里采用均值濾波,即通過多次采樣求平均值的方法,以達到去除干擾的目的。

??? 蓄電池采用循環充電方式。以12V蓄電池為例,在充電電壓達到14.7V最高限制電壓后．保持該電壓繼續充2～4小時達到飽和。最大充電電流不允許超過額定容量的25％(如容量為100A時的蓄電池,最大充電電流為25A)。采用保險絲實現硬件電路的過流保護。圖8示出軟件保護示意圖。

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??? 5 實驗結果與展望

??? 表1給出了系統的主要組成部分及性能指標。圖9反映了2005年12月20日早上9點到下午4點的功率P,MPPT充電器的充電情況及最大功率點的變化情況。12月20日的天氣變化較快,時而有陽光,時而多云,時而陰沉。最高MPPT可達到50W,最小只有5W左右,這反映出太陽能電源輸出功率的多變性。

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??? 經測試,該MPPT充電系統反映出了太陽能電源輸出功率的多變性,并可以快速跟蹤最大功率點,這對光伏系統的穩定高效工作起到了至關重要的作用。努力提高系統的效率和可靠性,進一步改進MPPT算法,則是下一步研究的重點。