光伏阵列MPPT充电控制器的设计

邓仙玉 魏学业

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

0 引言

太阳能以其资源丰富、分布广泛、清洁可再生等特点，受到越来越普遍的重视。目前，太阳能电池面临着造价高等问题，所以如何提高太阳能电池即光伏阵列的利用效率成为研究的热点。

充电控制器是连接光伏阵列与用电负载的枢纽。目前市场上较为成熟完善的充电控制器采用PWM(Pulse Width Modulation)，即脉冲宽度调制模式，然而这种模式下往往不能使光伏阵列工作在其最大功率点(Maximum Power Point，MPP)，造成能量的损失。为了提高发电效率，需要采取一定的控制方法实时追踪光伏阵列的输出功率，使其工作在最大功率点上。此过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

1 MPPT控制原理

1.1 光伏阵列输出特性

光伏阵列的输出呈现出一个非线性的状态，在不同的光照条件下，它的I-V曲线及P-V曲线分别如图1、2 所示。

图1 不同光照强度下I-V曲线

由图1及图2可以得出光伏阵列的输出特性:① 光伏阵列在输出低电压段相当于恒流源，高电压段相当于恒压源。②光照强度对短路电流的影响很大。短路电流随光照强度的增强而增大。③ 输出功率随光照强度的增强而增大。在每个光照强度下的P-V曲线都有一个最大值，即最大功率点MPP(Maximum Power Point)。

图2 不同光照强度下P-V曲线

1.2 MPPT 控制原理

最大功率点跟踪(MPPT)控制是指实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变阻抗情况来使太阳能电池板输出工作在最大功率点上。

图3所示为MPPT工作原理示意图。图中曲线Ⅰ、Ⅱ是两种不同光照情况下光伏阵列的Ⅰ-Ⅴ特性曲线，A、B分别为情况Ⅰ、Ⅱ下光伏阵列的最大功率点，负载1、负载2为两个不同负载的特性曲线。假设光伏阵列一开始工作在Ⅰ情况下的最大功率点A点，光强减弱使得光伏阵列的输出变化至特性曲线Ⅱ，由于负载没有改变，光伏阵列的工作点转移到A'点。而此时光伏阵列的最大功率点为B点，这就需要对其外部电路进行控制使负载特性变为负载曲线2，实现与光伏器件的功率匹配，从而使光伏阵列输出最大功率。

为了使光伏阵列带任意电阻负载时都能工作在最大功率点上，必须在负载和光伏阵列之间加入一个阻抗变换器，一般使用DC-DC变换器来实现，通过调节开关管的导通时间来调整负载阻抗，从而实现光伏阵列的最大功率点跟踪。

图3 MPPT原理示意图

2 MPPT控制器设计

本文采用PWM控制芯片CS51221来提供不同占空比的控制波形。该芯片提供软启动、可调节逐脉冲限流、欠/过压锁定、热关断等保护特性，并且提供辅助输入端，用于远程传输和监控。通过改变PWM波形的占空比来调节光伏阵列的等效负载，以保持光伏电池的输出工作在最大功率点附近。本文避免了使用价格昂贵的微控制器(MCU)，大大降低了成本，并且方案简单易实现，具有重要的实际意义。

2.1 控制器结构及工作原理

本文以图3所示原理为基础设计了一个MPPT控制器，其结构如图4所示。

图4 控制器结构框图

由于光伏阵列的输出范围较大，大概在12-24 V之间，而蓄电池的电压为12 V，给蓄电池的充电电压最好在14-15 V，因此需要对光伏阵列输出做一个电压变换。PWM控制电路输出一个PWM波形，用来控制DC-DC变换器中半导体开关管的开通关断动作，从而改变DC-DC变换器的储能及释放，将光伏阵列的输出转换成15V直流电，再向蓄电池充电，并且调节负载特性，使光伏阵列输出达到最大功率点。为了保持稳压输出，需要在输出端取一个反馈电压，并与芯片内部的基准电压进行比较。电流限制电路能够实时地根据光伏阵列的输出设定电流限制，电流检测电路对电流进行取样，并与电流限制作比较。电压、电流比较的结果用以调节PWM控制波形的占空比大小。

2.2 MPPT 电路

MPPT电路的作用是利用光伏阵列的输出特性，逐周期的找到光伏阵列的最大输出功率点。在DCM(断续电流模式)反激的每个导通周期，开关管的电流从零开始上升到内部允许的最大电流限制，一旦光伏阵列的最大功率被超过时，电压下降到零。其原理图如图5所示。

光伏阵列的电压通过 R1，R2的分压，与Q1基极电压 VB=Vr-0.7 比较。如果电压高于，Q1、Q2 均不导通，此时的电流限制

如果电压低于VB，Q1、Q2 导通，此时的电流限制

理想情况下，电流限制LIMIT将设定在光伏阵列的最大功率点上，最大化利用所提供的光伏电池板的容量。

图5 MPPT电路图

3 DC-DC变换器

DC-DC变换器是接在直流电源和负载之间，通过半导体开关器件的开关动作将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路。它在光伏发电系统中，常用于电压变换使用，如直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换等。常见的拓扑结构有单端正激型、单端反激型、推挽变换型及桥式变换型等。

本文中的DC-DC变换器采用单端反激拓扑结构。单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20-100 W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。其典型电路如图6所示。

所谓的单端，是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管Q1导通时，变压器T的初级电压感应到次级，但是由于感应电动势上负下正，所以整流二极管D1处于截止状态，在初级绕组中储存能量;当开关管Q1截止时，这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级，由于次级的同名端和初级是反的，所以次级的感应电动势是上正下负，当次级的感应电动势达到输出电压时，次级整流二极管D1导通，初级电感在Q1开通时储存的能量通过磁芯耦合到次级电感，然后通过次级线圈释放到次级输出电容C1中。

图6 单端反激变换器原理图

反激变换器中高频变压器T是电路的核心，设计合理的反激变压器可以使整个开关电源稳定、高效地工作。光伏阵列输出电压为12-24 V，反激变换器的次级输出为15 V/2 A给负载，辅助输出12 V/1 A给芯片供电，开关频率为100 KHz。根据输出功率

选择EE28/22型的铁氧体磁芯，通过计算得到初级电感Lp=12μH，最大峰值电流 Iρk=10.6A，初级绕组 Nρ=6TS，次级绕组NS=11TS，辅助绕组NF=8TS，采用初级-辅助级-次级的三明治绕线方式，减小功率开关管的电压应力，从而可以减小吸收电路，间接提高电源的效率。

4 仿真及结果

本文使用 MATLAB的 Simulink工具箱进行仿真验证。根据光伏电池模型及所设计的电路进行模拟仿真，光伏组件参数选择如下:内部串联电阻 0.24 Ω，内部并联电阻260 Ω，t=25℃，光照强度1000条件下短路电流3.8 A，开路电压 22.1 V，峰值工作电流 3.5 A，峰值工作电压 17.5 V，峰值功率60.4 W。结果如图7所示。

图7 光强改变时光伏阵列输出功率图

图7表明在光照强度发生变化时光伏阵列输出功率的变化情况。T=0.8 s时光强从1000变化到500，t=1.5 s时变化到750，可以看到输出功率基本与理论值符合，且追踪速度比较快。

5 结束语

本文针对充电控制器实时跟踪光伏阵列输出最大功率的控制方法进行研究，首先分析了光伏阵列输出特性及MPPT基本控制原理，其次设计了一个基于PWM控制芯片及DC-DC电路的充电控制器，并进行了计算机仿真。结果表明该设计方案可行可靠，能够实时准确地追踪光伏阵列的最大功率。

［1］韩文颖，陈爱国.具有MPPT功能的太阳能光伏充电器［J］.电子测量技术，2009，32(10):30-32.

［2］冯垛生，张淼，赵慧，等.太阳能发电技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社，2009.

［3］王震.独立太阳能光伏路灯系统中MPPT控制器的研究与设计［D］.湖北大学，微电子与固体电子学，2009.

［4］杨帆，彭宏伟，胡为兵.DC-DC转换电路在光伏发电MPPT中的应用［J］.武汉工程大学学报，2008，30(3):104-106.

［5］Abraham I.Preeman著，王志强等译.开关电源设计［M］.北京:电子工业出版社，2005.

［6］Cabal C，Alonso C，Cid-Pastor A，et al.Adaptive digital MPPT control for photovoltaic applications［J］.IEEE International Symposium on Industrial Electronics，2007:2414-2419.