基于MPPT的智能太阳能充电解决方案

1 引 言

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PT)系统是一种通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。