基于mpp的太陽能充電策略研究

0太陽能閱讀器設(shè)計變量在獨立的照明系統(tǒng)中，利用照明設(shè)備矩陣收集太陽能，并通過直流-直流變換器（cd-dc）向電池充電。由于日照時間是無法人為調(diào)節(jié)的,而光伏陣列的容量也由系統(tǒng)的投資所限制,僅用常規(guī)的充電策略不能達(dá)到高效利用的目的。如果陣列輸出不足以提供蓄電池在當(dāng)前充電情況下的充電所需能量時,陣列最大功率點跟蹤(MPPT)方式的能量能全部利用;相反,陣列輸出能量超過蓄電池在當(dāng)前充電情況下的充電所需能量時,陣列就不能運行在MPPT方式,太陽能將沒有得到充分利用,造成浪費。而在大多數(shù)的實際場合,常用充電管理系統(tǒng)中,雖然陣列由于蓄電池接受電流小,不能運行在MPPT方式下,但蓄電池充電至無太陽能輸出時還是在欠充狀態(tài),這無疑是充電管理方法不當(dāng)造成的。本文以目前獨立光伏系統(tǒng)主流使用的閥控鉛酸蓄電池(VRLA)為研究對象,在設(shè)計太陽能充電器時,既要考慮太陽能電池的MPPT,又要考慮蓄電池的充放電特性。提出采用“馬斯定律”可接受充電電流和太陽能光伏陣列最大功率跟蹤相結(jié)合的方法,并對系統(tǒng)中VRLA蓄電池進(jìn)行高效充電管理,實現(xiàn)系統(tǒng)能量最大利用和延長蓄電池的使用壽命。1電池和蓄電池系統(tǒng)硬件由直流-直流(DC-DC)功率變換器和檢測與控制電路組成。負(fù)載對象為某小區(qū)的地埋燈照明系統(tǒng),光伏陣列的選用是根據(jù)負(fù)載要求、蓄電池性能和轉(zhuǎn)換電路的損耗等情況來確定光伏系統(tǒng)所需的功率,即計算所需光伏陣列的輸出功率。選用江蘇省靖江市星光太陽能電池部件有限公司的型號為XG-180多晶硅光伏電池組件,具體參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)條件(日照強度1kW/m2、大氣質(zhì)量AM1.5、電池結(jié)溫25℃)時,最大輸出功率PM=180W,開路電壓UOC=46.26V,短路電流ISC=5.7A,最大工作電壓UM=36V,最大工作電流IM=5A。VRLA蓄電池采用風(fēng)帆股份有限公司的型號為6-DZM-100的12V100A·h電池,蓄電池組采用4塊鉛酸蓄電池串聯(lián)組成,額定電壓為48V。適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率變換電路拓?fù)溆蠦uck、Boost、Buck-Boost和Cuk電路等,由于本系統(tǒng)中只需要實現(xiàn)升壓,所以采用電路結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高的Boost電路作為充電控制器的主電路。1.1rss主電路功率變換Boost電路由儲能電感L、濾波電容C、功率開關(guān)管S和續(xù)流二極管D等組成。Up為光伏陣列的輸出電壓;Ub為Boost電路輸出至蓄電池的電壓。電路是一種將輸入電壓升高的非隔離直-直變換器,通過控制開關(guān)管的占空比可以控制升壓變換器的輸出電壓。根據(jù)電感電流是否連續(xù),Boost變換器可分為連續(xù)工作模式、臨界連續(xù)工作模式和不連續(xù)工作模式,實際光伏發(fā)電系統(tǒng)要求運行在連續(xù)工作狀態(tài),輸入電壓與輸出電壓的關(guān)系為改變開關(guān)管占空比可控制系統(tǒng)按照希望的電壓運行。電路拓?fù)淙鐖D1所示。Boost主電路主要針對升壓電感參數(shù)和輸出支撐電容參數(shù)進(jìn)行設(shè)計,經(jīng)計算選用電感L=2mH,電容C=200μF;開關(guān)管采用英飛凌公司的IGBT。1.2u2009蓄電池管理系統(tǒng)充電器的監(jiān)測與控制電路主要由單片機XC164CM和電壓、電流、溫度檢測等單元組成,如圖2所示。選用16位單片機XC164CM作為控制電路的核心,時鐘頻率為40MHz,具有豐富的內(nèi)部源:擁有64KB片上可編程Flash,4KB片上RAM;擁有專門的高速PWM輸出口CCU6,能方便地設(shè)置上下橋比的死區(qū)時間;具有14路的10位ADC轉(zhuǎn)換器及定時器模塊等。在該系統(tǒng)中,采樣光伏陣列的輸出電壓Up和輸出電流Ip,以及蓄電池的充電電壓Ub和充電電流Ib。利用單片機內(nèi)部定時器模塊的定時器中斷服務(wù)子程序計算出Up和Ip的乘積,找到最大功率點所對應(yīng)的電壓UPR。利用單片機中捕獲比較單元的定時器中斷,完成由Up和Ub構(gòu)成的電壓環(huán)的計算,得到占空比D,通過PWM模塊輸出,驅(qū)動功率開關(guān)管S,并根據(jù)Ub和Ib完成充放電的管理和監(jiān)護(hù)。充電過程中,蓄電池的溫度是一個很重要的參數(shù)。因此充電器中蓄電池溫度檢測是必須的。本充電器的溫度信號直接送入單片機的模擬信號接口,使單片機根據(jù)不同的環(huán)境溫度自動調(diào)整充電過程中的各轉(zhuǎn)換電壓值,進(jìn)行優(yōu)化充電。2光伏系統(tǒng)的mppt算法光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤方法很多,目前比較常見的方法有恒壓追蹤法、擾動觀察法和電導(dǎo)增量法等,由于擾動觀察法只需獲得電壓及電流參數(shù),算法簡單、易于實現(xiàn),故本系統(tǒng)中采用的是擾動觀察法。充電器的控制對象為Boost變換器的輸入電壓UP,通過MPPT算法,調(diào)節(jié)DC/DC變換器PWM波的占空比,達(dá)到最優(yōu)的阻尼匹配,找到UPR,并通過數(shù)字PI算法使光伏電池輸出功率達(dá)到最大值。光伏系統(tǒng)輸出功率P和PWM占空比D的關(guān)系見圖3。擾動觀察法是通過改變Up,并給予一定的擾動,實時地采樣Up和Ip,計算出它們的乘積,得到光伏電池此刻的輸出功率Pk,將其與上一采樣時刻的功率Pk-1相比較,若大于上一時刻的功率,維持原來的電壓擾動方向;若小于上一時刻的功率,則改變電壓擾動的方向。這樣確保了Up向著使輸出功率增大的方向變化,從而實現(xiàn)MPPT?；贐oost電路的擾動觀察法算法流程如圖4所示。3恒流和恒壓充電控制程序設(shè)計在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,蓄電池的充放電控制技術(shù)會直接影響系統(tǒng)的性能。充電控制方法一方面影響到蓄電池荷電量的大小;另一方面關(guān)系到其使用壽命。對鉛酸蓄電池的充電有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電等方法,由于在獨立光伏系統(tǒng)中,蓄電池的壽命直接決定了系統(tǒng)的壽命,所以不能簡單地使用恒流充電或者恒壓充電,必須對蓄電池的充電進(jìn)行更好的控制和保護(hù),為此提出優(yōu)化的三階段充電策略。三段式充電法的恒流充電電流Ibs,恒流到恒壓的轉(zhuǎn)換電壓是57.2V,浮充充電電壓是54.4V。本充電器主程序流程圖如圖5所示。接通電源后,充電器在單片機的控制下進(jìn)行初始化(包括蓄電池安時數(shù)、充電電流倍數(shù)值設(shè)定)和讀取蓄電池的充電電壓Ub和電流Ib。充電器充電過程分為涓流短時充電、恒流充電、恒壓均衡充電和浮充充電4個階段。3.1小電流以穩(wěn)定放電涓流短時,充電用于蓄電池在充電初期已處于深度放電的情況,以穩(wěn)定的0.1C小電流涓流充電有利于激活蓄電池內(nèi)的反應(yīng)物質(zhì),避免大電流充電對蓄電池造成損害,此階段由單片機啟動定時電路控制。3.2積分變換對充電效率的影響恒流充電階段,蓄電池的荷電狀態(tài)比較低,蓄電池采用比較大的恒定電流充電。但如果陽光不充足,光伏電池最大輸出功率小于設(shè)定恒流充電值Ibs時,蓄電池吸收的功率則會出現(xiàn)不能維持設(shè)定充電電流的情況。光伏電池所能提供的最大充電電流小于Ibs,這時無論如何調(diào)整占空比D,都不能維持蓄電池的充電電流為Ibs,誤差長期存在。同時,由于PI恒流充電算法中積分環(huán)節(jié)對誤差的累積作用,會使DC/DC變換器的占空比逐漸趨于極限值,而該極限值一般不對應(yīng)最大功率點時的占空比D,從而導(dǎo)致充電效率降低。Ib-D的關(guān)系曲線如圖6所示。在這種情況下,為了提高充電效率,比較合理的方案是優(yōu)化恒流充電方案,PI恒流充電算法與MPPT充電算法結(jié)合,這樣才能以最接近Ibs的電流為蓄電池充電。而算法需要考慮的重要問題是PI恒流充電算法與MPPT充電算法之間的切換判據(jù)。如圖3所示,最大功率點M的明顯特征是dP/dD發(fā)生變號。如果設(shè)定初始工作點在最大功率點左側(cè),PI恒流充電和MPPT充電之間的切換判據(jù)為Ib>Ibs且dP/dD>0時,則一定會存在PI恒流充電的穩(wěn)定工作點,MPPT充電切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib<Ibs且dP/dD<0時,PI恒流充電切換為MPPT充電。由于切換是在dP/dD剛剛發(fā)生變號時進(jìn)行的,因此,切換點非常靠近最大功率點M;如果希望系統(tǒng)工作在最大功率點右側(cè),則判據(jù)應(yīng)改為,當(dāng)Ib>Ibs且dP/dD<0時,MPPT切換為PI恒流充電;當(dāng)Ib<Ibs且dP/dD>0時,PI恒流充電切換為MPPT充電。MPPT與PI程序流程圖如圖6所示。3.3pi恒壓充電mppt當(dāng)端電壓上升至恒壓均衡充電的電壓轉(zhuǎn)換值57.2V時,轉(zhuǎn)入恒壓均衡充電階段,蓄電池容量繼續(xù)快速恢復(fù)。與恒流充電情況類似,同樣會出現(xiàn)日照不足時不能維持給定電壓的情況,也需要從PI恒壓充電算法切換為MPPT充電。切換判據(jù)與恒流充電類似,只是控制對象換為充電電壓,即PI恒壓充電切換為MPPT的判據(jù)為充電電壓Ub<UPS,且dP/dD<0;MPPT切換為PI恒壓充電的判據(jù)為Ub>UPS且dP/dD>0。本階段結(jié)束的判定依據(jù)是蓄電池端電壓產(chǎn)生負(fù)增量或充電電流逐漸減小降至小于1A。3.4浮充充電算法滿足判定條件后轉(zhuǎn)入54.4V的浮充充電階段,該階段用來補充蓄電池自放電所消耗的能量,由于浮充充電算法與恒壓充電算法類似,只是電壓設(shè)定值不同,因此兩者判據(jù)一致,不再贅述。經(jīng)過定時控制后,充電過程結(jié)束。另外,充電過程中充電器隨時檢測蓄電池的溫度,溫度過高時,即使蓄電池進(jìn)入浮充充電狀態(tài)。4mppt與ts-pet充電方式的比較將8塊12V100A·h的電池分成兩組,4塊串聯(lián)為一組,分別對它們進(jìn)行充電實驗。第一組采用無MPPT充電方式;第二組采用有MPPT充電方式。表1實驗數(shù)據(jù)顯示:在同等條件下,接入MPPT裝置后,蓄電池的充電電流比無MPPT裝置情況下充電電流要高,蓄電池所接受的功率有了一定的提高,達(dá)到了預(yù)期目的。表2實驗數(shù)據(jù)顯示出有MPPT充電器充電時測得的充電器的電壓、電流及效率數(shù)據(jù),可以看出,充電器平均效率η≈91.5%。5實驗驗證與實踐育人在研究獨立光伏系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上,分析了基于PI算法的三段式充電方法的失敗原因,提出了MPPT與三段式充電相結(jié)合的充電策