储能设备获最大功率的改进型光伏充电系统设计

摘要：针对光伏充电系统中能量利用率不高的问题，给出了改进型光伏充电系统的硬件及软件系统的设计方法。该系统基于低功耗单片机MSP430F1611，利用扰动观察法，通过控制数字电位器来间接调节MPPT变换器的输出电压，从而光伏电池功率与MPPT变换器效率在比值最优的情况下，可使得储能设备获得最大功率。经过仿真验证，该方法可以达到预期的效果，储能设备在同等条件下能获得更多的电能。
关键词：光伏系统；MPPT变换器；MSP430F1611；扰动观察法

0 引言
太阳能是一种洁净、无污染且很有发展前途的可再生能源，与矿物燃料等不可再生的能源相比有着无可比拟的优点。作为一种新型能源，太阳能已经引起越来越多国家的关注和研究。光伏发电的成本在全球产能提高的同时不断减少，预计到2050年，由太阳能提供的能源将占到全球能源的11％左右，因此，对太阳能的利用及环境的改善都有十分重要的意义。由于现有的光伏电池对太阳光的利用率不高，因此，如何高效利用太阳能给储能设备充电具有很高的研究价值。
在光伏系统中，通过最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术可以使光伏电池输出最大功率，从而提高光伏电池的能量利用率。但在实现MPPT的过程中，人们往往忽略了一个问题，即当光伏电池输出最大功率时，我们期望的储能设备是否获得了最大功率。储能设备最大功率的获得一定要结合MPPT变换器的效率，只有当光伏电池输出功率和MPPT变换器的效率达到最优比时，储能设备才能获
得最大功率。在实际应用中，人们往往期望储能设备获得尽可能多的电能，而不是光伏电池输出的最大功率。

1 光伏电池的伏安特性与功率特性
图1所示是光伏电池的伏安与功率曲线。从图1中光伏电池的V-I(电压-电流)曲线可以看出，随着光伏电池电压的下降，其电流随之增大；而光伏电池的功率则先是逐渐增大到最大功率点，然后逐渐减小。在实际情况下，光伏电池的伏安与功率曲线会随着光照强度以及外界温度的不同而发生变化，为了充分利用太阳能以获取最大功率输出，必须跟踪光伏电池的最大功率点，从而最大限度地利用光伏电池所提供的能量。

2 光伏MPPT原理
图2所示是MPPT变换器的硬件实现原理图，其核心是利用BUCK转换器来实现这一功能。最大功率点跟踪算法本质上是阻抗匹配，即当负载的阻抗等于光伏电池的阻抗时，负载可以获得最大功率。由于光伏电池的光伏特性受到光照强度、外界环境温度等影响，因此，其电压电流输出特性呈非线性。这里将光伏电池等效为一个直流电源和一个可变电阻的串联电路。其中可变电阻的阻值会受到光照强度、温度等影响而发生变化，通过BUCK转换器功率管的占空比变化可以改变其等效电阻Req，其等效电阻Req如下式所示：

其中，D=Uo／Uin为功率开关管的占空比；Ro为实际负载阻抗。当BUCK转换器的负载Ro一定时，通过改变占空比D，就可以改变Uin，从而改变光伏电池的等效负载，进而改变光伏电池的工作点和输出功率，找到最大功率点，实现光伏系统的最大功率。实现这一方案(最大功率点跟踪器)的方法有很多，但都非常复杂，尤其是在卫星等任务关键型系统中。然而在很多小型应用中，并不需要极其精确的MPPT跟踪方案，而只需要一个能量利用率为90％～95％可用电能的解决方案即可。

3 获得储能设备最大功率的实现算法
光伏系统中最大功率点的跟踪方法有很多种，比如恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法(PO)以及增量电导法(INC)等。这些算法的目标都在于从光伏电池中获得最大功率，而我们期望的是储能设备最终获得最大功率，因此，还要考虑MPPT变换器的效率问题。在本文中，MPPT变换器的效率特指BUCK转换器的效率。由于扰动观察法易于实现，成本较低，是最常用的方法，因此本文基于扰动观察法来实现储能设备最大功率的获得。
扰动观察法基于以下标准：通过改变等效负载的阻抗变化来使得光伏电池工作电压向某一方向扰动，经检测，如果光伏电池的输出功率增加，则意味着光伏电池的工作点向着最大功率点的方向移动，即之前的扰动方向正确，因此，光伏电池的工作电压必须进一步向原来的方向扰动。否则，如果光伏电池的功率下降，则意味着光伏电池的工作点向远离最大功率点的方向扰动，此时的光伏电池工作电压必须向反方向扰动。

图3所示是系统中每个部分的功率关系图。从图3中可以注意到，光伏电池的输出最大功率是指BUCK转换器自身消耗的功率(由于其自身效率问题引起的内耗)与储能设备所获得的功率之和，而通常人们主要关注的是储能设备所获得的功率。由于BUCK转换器的效率与特定的输入电压、输入电流以及输入电压与输出电压差有关，因此，要考虑BUCK转换器在特定的输入电压和输入电流情况下的效率问题。在此提出在光伏MPPT控制中，基于扰动观察法在BUCK转换器不同效率的情况下，可使储能设备获得最大功率，即由MSP430控制BUCK转换器的PWM(脉冲宽度调制技术)占空比，来检测流入储能设备的电流和储能设备的电压，同时计算出当前的功率。