基于MPPT技术的光伏充电系统设计

桂　仁,郝润科,张　艳

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海　200093)



基于MPPT技术的光伏充电系统设计

桂仁,郝润科,张艳

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海200093)

摘要储能设备充电系统是光伏发电系统的一个重要环节,其充电方法的选择对充电效果起决定性作用。文中设计了一种以STM32为主要核心处理器的充电系统,采用与MPPT算法相结合的新型智能充电方法对锂电池进行充电,此方法既可有效提高锂电池充电效率,又可防止电池过充。同时,具有过放电、过流、短路、温度保护及温度补偿等保护功能。

关键词MPPT;能量储存;STM32;光伏发电系统

太阳能的高效利用是人类一直追寻的方向,光伏电池的光电能量转换技术和光伏控制器的能量转换技术是光伏发电系统中两个关键技术。光伏控制器的能量转换效率包括两个方面,即最大功率点跟踪(MPPT)效率和电能变换效率[1]。针对锂电池的特点,本文采用与MPPT算法结合的新型智能充电方法对锂电池进行充电,此方法既可有效地使实际充电曲线接近锂电池的最佳充电曲线,提高锂电池充电效率,又可防止电池过充。此外,该新型智能充电方法还具有过放电、过流、短路、温度保护及温度补偿等保护功能。

1MPPT控制策略

目前常用的几种MPPT算法,如恒定电压法、扰动观察法、电导增量法等,从算法的复杂程度、对硬件的要求、最大功率点处的稳态性能以及跟踪速度等指标分析,各有优缺点,而且这些算法不能同时兼顾以上指标[2-4]。基于上述原因,设计采用了一种智能型恒定电压法结合变步长扰动观察法进行MPPT 控制。以同步整流Buck电路的占空比D作为控制对象,通过调整占空比的变化量,调节Buck电路输入和输出之间的关系,最终实现MPPT。

以占空比D作为控制对象时,选取跟踪步长的大小是关键。若跟踪步长选取不合理,就会造成无法同时兼顾MPPT的跟踪精度和速度。若步长选取偏大,系统在稳态时光伏阵列输出功率会上下振荡明显,且平均输出功率也会比其最大输出功率小;若步长选取偏小,响应速度较慢,会导致系统跟踪的时间较长,并会对系统的动态性能产生较大的影响。因此,本文在步长设定时加入一个自动变步长调整器μ来解决步长选取问题,此方法既可保证系统的稳态性能,又可兼顾系统的动态性能。基于同步整流Buck电路的占空比D作为控制对象的变步长扰动观察法的表达式如下

(1)

其中,μ(k)是占空比D的变化量,即调节步长;ω表示常量,其大小会影响步长调整的灵敏度;dp=P(k+1)-P(k)表示输出功率的变化量。

2锂电池充电方式

采用与MPPT结合的新型智能充电方法对锂电池进行充电,此方法既可有效地使实际充电曲线接近锂电池的最佳充电曲线,提高锂电池充电效率,又可避免过充电[5]。充电过程包括MPPT充电阶段和恒压充电阶段。

第一阶段:MPPT阶段。该阶段即大电流充电阶段,针对太阳能电池的最大功率输出特性,采用MPPT方式保证太阳能电池以最大的输出功率对锂电池进行快速充电,以提高系统充电效率。MPPT大电流快速充电阶段,电池容量迅速恢复到额定容量的80%～90%,电池电压也在不断上升,当电池电压上升到充电截止电压时,MPPT充电阶段结束,立即转入恒压充电阶段。

第二阶段:恒压充电阶段。在恒压充电阶段下,充电电压恒定不变,充电电流随着充电过程的进行持续下降,当充电电流下降到<0.02 cA时,锂电池充满,停止充电。

3系统设计

光伏控制器以同步整流Buck电路作为主拓扑结构,以STM32单片机作为控制核心;储能设备可满足12 V和24 V锂电池的要求,充电转换效率可达97%,光伏控制器的最大充电电流可达13 A,最大放电电流可达到10 A。系统将光伏阵列以及储能设备的电压、电流变化量即时经过采样电路处理送到单片机,单片机根据釆样电路得到的采集数据来执行预先设定的充放电控制策略,实现光伏电池的输出特性与电池充电方式的合理配合,通过RS485通信将系统的相关信息及时传输给公共机,以便实时监控。系统框图如图1所示。

图1　系统总体框图

4系统硬件电路

4.1光伏控制器充电主电路

采用同步整流Buck电路作为主拓扑结构,通过控制开关管Q1、Q2导通或者关断时间,控制从输入端到输出端的能量传送,其电路如图2所示。

图2　同步整流Buck电路

4.2驱动电路

选取美国IR公司的高压、高速驱动芯片IR2110来设计驱动电路[6-7]。电路具有独立的高端驱动信号输出端(HO)和低端驱动信号输出端(LO);高端悬浮电源采用自举电路;开通、关断分别为120 ns和94 ns;输出端的功率器件栅极驱动电压范围为10～20 V。

4.3采样电路的设计

数据采的准确性和稳定性将直接影响系统的控制性能。系统的数据采集模块主要分为两部分:一部分是对电压信号的采集,包括光伏阵列的输出电压以及电池的端电压;另一部分是对电流部分的釆集,包括光伏阵列的输出电流和电池的充电电流。

4.3.1电压采样电路

电压采样电路采用电阻分压法进行电压采样。由于单片机可接受的电压范围是0～3.3 V,所以采用电阻分压法首先要将釆集的电压值转换为A/D转换允许的范围内,然后再经过RC滤波后送入单片机进行A/D转换。

由于两个分压电阻均为误差为25 ppm的电阻,在实际采样过程中会产生一定误差。采用软件校准补偿算法来提高电池电压的采样精度,PV端电压采样公式如下

(2)

其中,ADCBAT是电压的ADC采样值;ADCVREF是基准电压的ADC采样值;k和b为误差修正系数。将10V和30V两个点的电压相关参数代入式(2)中得到式(3)和式(4)。再将k和b值代入式(2)即可得到准确的电压值。

(3)

(4)

4.3.2电流采样电路

电流采样电路选用电阻检测法来实现电流采样,在控制电路中串联电流采样电阻,通过将采样电阻得到的电流信号转换为较低的电压信号,然后使用运算放大器对采集到电压信号放大后送至单片机。4mΩ的电流采样电阻和INA194差分放大器构成完整的电流检测电路。

为减小误差而提高电流的采样精度,进行软件算法补偿,太阳能光伏阵列的输出电流和电池充电电流计算公式为

(5)

其中,ADCI是电流的ADC采样值;ADCVREF是基准电压的ADC采样值;k和b为误差修正系数。

根据INA194的特性曲线可知,当电流<5A时,采用曲线1,如下

(6)

其中,k1和b1由0.5A和2.5A两个点和式(5)来确定。当电流<5A时,采用曲线1,如下

(7)

其中,k2和b2由5A和8A两个点和式(5)来确定。

4.4通信接口电路的设计

为实时监测整个系统的状态和配置方便观察和分析实验数据,设计了通信接口电路,其可实现控制器与公共机之间数据的交互,将控制器采集的数据传送到公共机,从而达到公共机实时监控整个系统的目的。

5软件设计

锂电池充电过程包括MPPT充电阶段和恒压充电阶段两个阶段。锂电池12V系统软件流程图如图3所示。

图3　锂电池充电程序软件流程图

6实验测试结果与分析

6.1基于LabVIEW平台的MPPT算法测试

本设计的MPPT算法是基于LabVIEW测试平台对24 V太阳能光伏阵列系统进行测试的,太阳光照是根据安捷伦的太阳能模拟器进行模拟。

光照强度从100 W/m2变化到500 W/m2,在500 W/m2的光照强度下停留10 s,再从500 W/m2变化到100 W/m2,整个过程变化测试曲线如图4所示,其中纵坐标分别表示输出电压(V)、输出电流(A)和输出功率(W),横坐标表示采样点个数(50 ms采集一个点)。光照强度变化时间间隔为1 s。从图4中可以看出,虽然太阳光照强度一直在变化,但本设计MPPT算法仍可体现出对最大功率点跟踪速度快和在最大功率点处稳定的优点。

6.2电池充电过程测试

锂电池充电过程包括MPPT充电和恒压充电两个阶段。测试结果是基于24 V锂电池系统的完整充电过程,其充电过程拟合曲线如图5所示。当系统满足充电条件以后,进入MPPT充电阶段,当电池电压升高到充电截止电压29.2 V时,MPPT快速充电阶段结束,立即转入恒压充电阶段。在恒压充电阶段下,充电电压保持29.2 V恒定不变,充电电流随着充电过程的进行持续减小,当充电电流下降到小于0.02 cA时,锂电池已经充满,立即停止充电。由图5中的拟合曲线可看出,设计达到了锂电池的充电要求。

图4　光照强度不断变化的动态测试曲线

图5　锂电池充电过程

7结束语

本文设计的光伏充电系统是以同步整流Buck电路作为主拓扑结构和STM32单片机作为控制核心,采用与MPPT算法相结合的新型智能充电方法对锂电池进行充电,此方法既可有效地提高锂电池充电效率,又可防止电池过充。同时,具有过放电、过流、短路、温度保护及温度补偿等保护功能,是一种比较理想的光伏充电系统。

参考文献

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[4]崔岩,蔡炳煌,李大勇,等.太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究[J].太阳能学报,2006,27(6):535-539.

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[6]贺婷.光伏发电系统中最大功率点跟踪控制器的研究[D].南宁:广西大学,2012.

[7]侯圣栋.智能独立光伏充电控制系统的研究[D].西安:西安工业大学,2013.

Design of Pv Charging System Based on MPPT

GUI Ren,HAO Runke,ZHANG Yan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

AbstractEnergy storage device charging system is an important part of the photovoltaic power generation system,in which the selection of charging method plays a decisive role.This paper introduces a charging system based on taking STM32 as the main core processor,adopting a new type of intelligent charging method combined with MPPT algorithm to charge the device of energy storage.This method can effectively improve the charging efficiency of lithium batteries while preventing the battery overcharging with such functions as over-discharging,over-current,short-circuit and temperature protection and temperature compensation.

KeywordsMPPT;energy storage;STM32;photovoltaic power generation system

中图分类号TM615

文献标识码A

文章编号1007-7820(2016)04-016-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.04.005

作者简介:桂仁(1990—),男,硕士研究生。研究方向:电力电子与电力传动。

收稿日期:2015- 08- 31