基于MPPT的智能太阳能充电系统研究
太阳能是一种清洁高效的可再生能源。在阳光充足的白天,屋顶的光伏电池将太阳能转化成电能,供人们在夜晚使用。据专家预测,到2040年,全球的光伏发电量将占世界总发电量的26％,2050年后将成为世界能源的支柱。
2 最大功率点跟踪
最大功点跟踪(Maximum Power Point Tracking,简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态,使光伏板能够输出更多电能的电气系统。图1示出光伏电池输出功率Pb与输出电压ub和输出电流ib的关系。图中A为普通控制器使光伏电池工作在12V,仅输出53W时的功率点(一般功率点);B为MPPT控制器使光伏电池始终工作在最大功率点,从而 输出高达75W时的功率点(最大功率点)。
最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下,随着温度的升高,光伏电池的开路电压降低,最大输出功率随之降低。当温度不变,太阳光强增加时,光伏电池的开路电压基本不变．短路电流大幅增加,最大输出功率大幅增加。图2示出线性系统电路图。
首先,计算消耗在R1上的功率为：
然后,式(1)两边对R1求导可得：
由式(2)可得,当r=R1时,dP1／dR1=0,此时P1取最大值。
由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响,其输出电压ub、输出电流ib和内阻r也处于不停变化之中。只有使用DC／DC变换器实现负载的动态变化,才能保证光伏电池始终输出最大功率。
MPPT需要及时准确地采样蓄电池当前的充电电压和充电电流。两者相乘得到当前的充电功率,与前一时刻的充电功率相比较,调节PWM的占空比,从而使光伏电池始终工作在最大功率点。图3示出具体的控制策略。
3 MPPT的硬件设计
由于光伏电池的输出特性呈非线性,且变化幅度较大,所以使用单端反激式变换器。该变换器由升降压变换器加隔离变压器推演而来,能够简单高效地提供直流输出,广泛用于功率100W左右的小型开关电源中。控制器工作于电流断续模式。
图4示出MPPT的硬件设计原理。其中,微控制器采用MC68HC08SR12微处理器,使用A／D模块采样电源的输出电流和输出电压,继而调节PWM占空比,最终实现光伏电池的最大功率输出。MPPT控制策略的效果好坏直接取决于电压和电流的采样是否精确。
图5示出电压采样电路。它采用光耦PC817和三端稳压管TLA31相配合。TLA3l是一种可编程稳压管,当变压器的次级输出电压uout变化时,光耦的输出电压随之变化,A／D会采样到当前的充电电压。
图6示出电流采样电路。由它对采样电阻Rsam两端的电压进行采样,并使用差分式运算放大器放大输出到MCU的A／D采样端,从而得到主电路中的电流值。由于信号需要精确采样,并且与电源隔离,因此使用线性光耦HCNR200。另外,单片机及周边电路的用电可直接通过蓄电池隔离变压得到,系统无须外部电源供电,十分方便。
4 软件分析
由于太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程,故参数采样无须高实时性,每隔几秒钟采样一次即可满足要求。产生中断的时间间隔是可以调整的,初期较短,可以迅速逼近最大功率点;后期较长,防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断,每次控制比较,均进行3次,当3次的结果一致时,才实施相应的控制策略,否则重新采样比较,这样便最大限度地保证了系统的正常运行。图7示出实现MPPT的软件流程。
由于单片机与开关电源一起工作,相互间的电磁干扰较大,而A／D采样要求精确。故需要使用软件数字滤波。这里采用均值滤波,即通过多次采样求平均值的方法,以达到去除干扰的目的。
蓄电池采用循环充电方式。以12V蓄电池为例,在充电电压达到14.7V最高限制电压后．保持该电压继续充2～4小时达到饱和。最大充电电流不允许超过额定容量的25％(如容量为100A时的蓄电池,最大充电电流为25A)。采用保险丝实现硬件电路的过流保护。图8示出软件保护示意图。
5 实验结果与展望
表1给出了系统的主要组成部分及性能指标。图9反映了2005年12月20日早上9点到下午4点的功率P,MPPT充电器的充电情况及最大功率点的变化情况。12月20日的天气变化较快,时而有阳光,时而多云,时而阴沉。最高MPPT可达到50W,最小只有5W左右,这反映出太阳能电源输出功率的多变性。
经测试,该MPPT充电系统反映出了太阳能电源输出功率的多变性,并可以快速跟踪最大功率点,这对光伏系统的稳定高效工作起到了至关重要的作用。努力提高系统的效率和可靠性,进一步改进MPPT算法,则是下一步研究的重点。