基于双模MPPT控制的光伏充电设计

韩腾飞 杨明发



基于双模MPPT控制的光伏充电设计

韩腾飞 杨明发

（福州大学电气工程与自动化学院，福州 350116）

本文提出一种光伏充电设计方案，在不同的光照强度下，采用不同模式的最大功率点跟踪方法（MPPT）来控制光伏电池板的输出特性。强光照时，MPPT采用变步长电导增量法，对锂电池和超级电容充电；弱光照时，不能对锂电池直接充电。MPPT采用扰动观察法，对超级电容充电，超级电容蓄能后对锂电池进行充电。本文设计基于MSP430F5132的控制系统平台进行实验验证，结果表明，能够高效地利用太阳能对锂电池进行充电。

MPPT；锂电池；超级电容；充电

光伏电池可以将太阳能转成电能，其输出伏安特性曲线具有非线性，最大功率点随着光照强度和温度的变化而不同，为了提高光伏电池的利用率，需要采用最大功率点跟踪方法（MPPT）来控制其输出特性。

早晨和傍晚或是阴天的时候，光照强度较低，光伏电池无法为锂电池充电；晴天中午时刻，光照强度高，光伏电池输出能量充足。本文提出采用扰动观察法和电导增量法双模MPPT控制方案对锂电池进行充电，对光照强度高的时段“精益求精”，追求太阳能功率的最大利用；对光照强度低的时段，高精度的MPPT方案效益不高，则放弃使用复杂的控制方案，降低MSP工作频率，减少功耗，利用超级电容收集微弱的太阳能。

1 光伏电池阵列数学模型

对于工程应用的太阳能电池，可以将其看成由若干个单个太阳能电池单元的串并联而成，单个硅型太阳能电池单元的等效电路模型如图1所示，在图1中D表示等效二极管，sh表示等效旁路电阻，s表示等效串联电阻，o表示电池的外接负载电阻。

图1 光伏电池等效电路模型

该数学模型的函数关系如下：

（2）

d=o+os（3）

式中，s为太阳能电池内部等效二极管P-N结反向饱和电流；ph为光生电流；d为等效二极管的端电压；为电子电荷量；为玻尔兹曼常量；为绝对温度；为P-N结的曲线常数。

由式（1）至式（4）可知，光伏电池输出具有非线性，任一个温度和光照强度都对应一个最大输出功率点（MPP）。通过最大功率点跟踪技术（MPPT）调节直流母线电压，控制外电路阻值与光伏电池内阻匹配，即可使光伏电池工作在最大功率点。图2为光伏电池输出特性曲线图。本文主要研究不同光照强度下光伏电池的输出特性，所以设定温度为标准值25℃。

（a）电压-电流特性曲线

（b）电压-功率特性曲线图

图2 光伏电池输出特性

2 MPPT算法分析

2.1 变步长电导增量法

电导增量法是通过观测比较太阳能电池板输出电压和输出功率之间的关系推导出瞬时电导和电导变化量来调整工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电压，从而实现最大功率跟踪的。该算法能够快速跟踪光照强度的变化，控制精度较高。

当光伏电池输出功率达到最大时，根据光伏输出特性曲线，可得

（6）

传统电导增量法扰动步长固定，而扰动步长大小决定了系统的跟踪速度。选用较大的扰动步长可提高跟踪速度，但到达最大功率点附近时波动较大，稳态功率损失较多；较小的扰动步长可提高稳态跟踪精度，但跟踪速度较慢。

变步长电导增量法的扰动步长为

式中，为比例系数，可通过实验获得。

|d/d|的变化曲线如图3所示。扰动步长在远离最大工作点的区域取值较大，系统工作点越靠近最大功率点时步长越小，并在最大功率点处变为0。

图3 光伏阵列P-U和|dP/dU|-U曲线

变步长电导增量法的参考电压更新规则为

式中，ref()和ref(-1)分别为时刻和-1时刻的参考电压值；为参考电压扰动变步长。

2.2 扰动观察法

扰动观察法的控制思想是：周期性地以一定步长扰动太阳能电池的输出电压，计算扰动后光伏电池的输出功率，比较扰动前后光伏电池的输出功率的变化D，如果D＞0，则继续保持原方向扰动；如果D＜0，则改变扰动方向。不断循环，光伏电池的工作点就可以逐渐逼近当前最大功率点，最终在最大功率点附近的小范围内振荡。

扰动观察法算法简单，被测参数少，易于实现，但响应速度较慢，光照变化时容易损失部分能量。

扰动观察法的参考电压更新规则为

式中，ref()和ref(-1)分别为时刻和-1时刻的参考电压值；D为参考电压扰动步长。

3 MPPT双模控制策略分析

变步长电导增量法的步长调整依赖于|d/d|值的大小，但是通过图4可知，|d/d|曲线在不同光照条件下差异较大，无法找到一组最优的速度因子同时满足不同光照条件下的最大功率跟踪需求，即不同光照下存在跟踪死区。

图4 不同光照条件下|dP/dU|曲线

分析变步长电导增量法和扰动观察法的优缺点，见表1。

表1 两种MPPT方法的优缺点

针对以上问题，本文提出采用双模MPPT切换控制的方案：

在强光照时，太阳能量充足，采用变步长电导增量法，通过调整比例系数，使得扰动步长为在强光照条件下的最优值。此时MPPT跟踪精准，最大功率点处振荡小，最大化利用太阳能。

在弱光照时，太阳能量较低，高精度的最大功率跟踪所能利用的能量有限，此时采用扰动观察法，处理器的工作频率降低，功耗减少。

目前常用的锂电池和超级电容的混合储能，一般是先将锂电池中的能量转存到超级电容中，然后利用超级电容作为瞬间驱动源；或是利用超级电容的特性，削减负载突变对锂电池的冲击，提高系统的动态响应。

本设计引入超级电容蓄能，在弱光照的情况下收集太阳能，形成大电流给锂电池充电。

本设计以光伏输出能否维持锂电池恒流恒压充电为光照强弱的判断依据。强光照时，光伏电池直接对锂电池充电，弱光照时，光伏电池对超级电容充电，超级电容蓄能为锂电池充电。

4 电路拓扑分析

4.1 强光照时的工作回路

强光照时，光伏电池直接对锂电池进行充电，工作电路如图5所示，前端BOOST电路实现MPPT控制，后端BUCK电路采用PI控制实现对锂电池恒流恒压充电。

图5 光伏-锂电池充电回路

在Matlab/Simulink中建模仿真，光照强度按照→→（对应的MPP：19.98W→11.82W→15.89W）变化，MPPT采用变步长电导增量法。

如图6所示，变步长电导增量法能快速地跟踪到最大功率点，并且使光伏电池工作点保持在最大功率点，功率振荡小，减少能量损失。

锂电池充电仿真数据较多，为减少仿真时间，仅对充电初期和充电末期进行仿真。在充电期间，光照强度也按照→→变化。

图6 变步长电导增量法

如图7所示，在光照强度变化的情况下，PI控制能够实现锂电池恒流恒压充电功能。

（a）充电初期

（b）充电末期

图7 锂电池充电波形

4.2 弱光照时的工作回路

弱光照时，光伏电池输出达不到锂电池恒流恒压充电的要求，此时系统工作方案切换为光伏电池对超级电容充电，MPPT采用扰动观察法。

如果采用BOOST电路直接对超级电容充电，超级电容电压低于光伏电池输出电压时BOOST电路将不能正常工作，光伏电池通过电感和二极管直接给超级电容充电，电感很快会饱和。同时，由于光伏电池输出电压被钳位在低电压，这一段也将不能实现光伏电池的最大功率点跟踪功能。

在Matlab/Simulink中建模进行仿真，光照强度按照→→（对应的MPP：7.78W→5.76W→3.78W）变化，结果如图8所示，系统无法实现最大功率跟踪功能。

图8 最大功率跟踪失效

改进后的超级电容充电回路如图9所示。Q1和Q2保持同步，同时关断时，光伏电池向转存电容充电；同时开通时，光伏电池对电感充电，转存电容向超级电容充电。

图9 改进后光伏-超级电容充电回路

按照同样的条件仿真，结果如图10所示，系统能够实现最大功率跟踪功能。

图10 最大功率跟踪有效

选用16V/16F的超级电容进行仿真，超级电容充电电压和荷电状态（）如图11所示。超级电容被不断充电至额定电压。

图11 超级电容端电压和SOC

超级电容储存的能量通过BUCK变换器对锂电池进行恒流恒压充电。图12中，超级电容的电压和下降，锂电池处在恒压充电阶段，不断上升。

（a）超级电容放电电压和SOC

（b）锂电池充电电压和SOC

图12 超级电容-锂电池充电波形

4.3 设计整体电路

强光照时，光伏电池对锂电池和超级电容充电，Q3工作，Q4关断；弱光照时，锂电池无法实现恒流恒压充电，此时Q3关断，Q4工作，超级电容对锂电池进行恒流恒压充电。

图13 整体电路

5 实验验证

5.1 MPPT测试实验

采用60V直流稳压电源串联可变阻值的滑动变阻器来模拟光伏电池的输出特性，对MPPT功能进行测试。

图14 MPPT模拟测试

根据戴维南定理的等效可知：当变换器的输入电压为直流稳压电源电压S的一半，即实现了最大功率输出。

模拟光照强度增大，稳压源电压S由17V变为30V，对应的变换器输入电压由8.5V变为15V。

如图15和图16所示，扰动观察法和变步长电导增量法均能实现最大功率跟踪功能，但变步长电导增量法在最大功率点处振荡小，跟踪速度和精度方面都优于扰动观察法。

（a）扰动观察法

（b）变步长电导增量法

图15 MPPT波形图1

（a）扰动观察法

（b）变步长电导增量法

图16 MPPT波形图2

模拟光照强度减小，稳压源电压S由30V变为17V，对应的变换器输入电压由15V变为8.5V。

5.2 超级电容测试实验

采用220mF转存电容、16V/16.6F超级电容组和12V/2Ah锂电池组（由3节3.7V锂电池串联），对超级电容充放电情况进行测试。

如图17和图18（a）所示，转存电容不断充放电，超级电容被充电至额定16V。

超级电容为电压为初始电压10V的锂电池充电，如图18（b）所示超级电容放电至10V截止。

图17 转存电容端电压

（a）充电电压

（b）放电电压

图18 超级电容充放电波形

5.3 工作模式切换测试实验

开关管Q3和Q4除了实现对锂电池进行恒流恒压充电的控制，还实现工作模式切换的功能，切换思路为：①光伏电池直接对锂电池和超级电容充电，Q3工作，Q4关断；②超级电容对锂电池充电，Q4工作，Q3关断；③超级电容放电结束，切换回工作状态①。

测试工作状态①切换为工作状态②，如图19所示，Q3由工作状态切换为关断状态，Q4由关断状态切换为工作状态。

5.4 锂电池充电实验

光伏电池板参数：峰值功率30W，工作电压17.6V，工作电流1.71A，开路电压21.6V，短路电流1.95A。

图19 工作模式切换波形

锂电池充电情况如图20所示。其中在55min、95min、135min、175min的采样时间点遮挡光伏电池，模拟弱光照情况，图20（a）为本设计的充电方案，充电电流保持稳定；图20（b）为传统的充电方案，光伏电池输出为锂电池充电，在弱光照的情况下，充电电流急剧下降。

（a）充电电流1

（b）充电电流2

图20 锂电池充电波形

由此可知，当间断出现乌云飘过遮蔽情况时，传统的充电方案令锂电池充电时间延长。而加入超级电容蓄能后，出现遮蔽弱光照时向锂电池充电，锂电池能够保持恒流恒压充电状态。超级电容的加入能够充分利用太阳能，保证锂电池的充电速度。

6 结论

本设计根据光伏电池在强弱光照下的不同特性，采用双模MPPT控制策略，实验表明，采用变步长电导增量法时跟踪速度快，精度高，太阳能利用效率高，采用扰动观察法时降低了MSP的工作频率，减少功耗。在弱光照时，采用超级电容收集能量，能够提高对太阳能的利用效率。

[1] 余南华, 王岳人, 杨毅. 太阳能车电力系统的智能集成化设计[J]. 可再生能源, 2006(2): 7-9, 12.

[2] 王新运, 康龙云. 太阳能电动车最大功率跟踪器的研究与开发[J]. 电力电子技术, 2010, 44(3): 12-13, 19.

[3] F Blaabjerg C Z, Jaer S B. Power electronics efficientinterface indis Persed Powergeneration systems, IEEE Trans[J]. Power Electron, 2004, 19(5): 1184.

[4] 周其进, 王冰. 基于MC9S12的车载智能光伏充电器的设计[J]. 计算机测量与控制, 2010, 18(4): 868- 870, 874.

[5] 张永贤, 潘林. 超级电容储能器在光伏发电系统中的应用[J]. 控制工程, 2016, 23(7): 997-1000.

[6] Brunelli D, Moser C, Thiele L, et al. Design of a Solar-Harvesting circuit for batteryless embedded systems[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I-Regular Papers, 2009, 56(11): 2519-2528.

Design of Photovoltai Charging based on Dual-mode MPPT

Han Tengfei Yang Mingfa

(College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350116)

A design of photovoltai charging is proposed. Different modes of Maximum Power Point Tracking (MPPT) is adopted to control the output characteristics of PV in different sunlight intensity. During the strong sunshine, variable step incremental conductance algorithm is adopted for lithium batteries and super capacitor charging; During the weak sunshine, perturbation and observation algorithm is adopted for the super capacitor charging. Lithium battery is charging by the energy stored in the super capacitor. The design is achieved bythe system based on MSP430F5132, the results show that the design can efficiently use solar energy to charge lithium batteries.

MPPT; lithium battery; super capacitor; charging

韩腾飞（1990-），男，硕士研究生，研究方向为电机电器及其系统智能化与在线检测技术。