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。

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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。

图4所示是扰动观察法的控制流程图。从图4中可以看出，如果储能设备得到的功率增加，则按原方向扰动光伏电池工作点，否则，要向相反的方向扰动。当W1-W2W0时，认为当前W1和W2的功率相当，其中W0为较小的功率阈值。通过扰动使储能设备最终获得最大功率，而此时光伏电池的输出功率可能不在最大功率点处，但是，在这种情况下，当前光伏电池的输出功率与BUCK转换器的效率乘积最大，即储能设备获得的功率最大，因此光伏功率与效率的比值最优，从而使储能设备得到的功率最大。

4 储能设备的选取与充电管理
随着锂离子化学电池在各种电子产品设计中的使用越来越普遍，锂电池充电的创新解决方案也越来越多。为了获得最大程度的系统灵活度，我们可以使用旨在提高充电速率和电池寿命的独特充电算法，利用微处理器来控制电池充电过程，此方法还能在更高电压的电池组中实施。
这里的储能设备选择锂电池，是由于其良好的充放电特性，且被广泛应用于各类电子产品。锂电池有灵活的充电方式，但是锂电池充电过程中连续最大充电电流不能超过lC(C是电池标称容量对照电流的一种表示方法)，否则会造成对锂电池的损坏。其充电截止电压为4．2 V(有的锂电为4．1 V，主要是由于电极材料的不同导致的截止电压不同)，充电状态由MSP430进行严格的控制，可保证充电安全和电池的使用寿命。由于过度充电和过度放电都会导致锂电池寿命的大大缩短，因此，对电池的实时监控也是设计中必不可少的。

5 MPPT变换器效率及硬件电路设计
实现光伏电池MPPT变换器的关键除了高效的控制程序外，还包括MPPT变换器的效率问题。而MPPT变换器的效率主要依赖于BUCK转换器的效率。假设MPPT变换器使光伏电池工作在最大功率点处，由于MPPT变换器的效率很低，此时储能设备获得的功率也并不高!因为有相当大的一部分功率浪费在了MPPT变换器及其它供电设备(比如单片机控制器等)上。

图5所示是一种常用的MPPT变换器设计方案，经笔者测试，该类设计方案主要存在以下几个问题：其一是在高速开关频率下，开关管会出现振铃效应和拖尾现象，从而使得开关管上的功耗增大，电路的效率降低；其二，此电路为非同步整流电路，在电路工作的过程中，续流二极管会消耗一定功耗，降低了电路的效率；其三，在PWM驱动方面要专门为开关管设计驱动电路，并且驱动电路要有独立的电源，由于光伏系统的电源并非稳定的电源，这样就增加了电路设计的困难及复杂度。
该类变换器的工作原理为：通过单片机输出PWM信号来控制驱动电路，并通过驱动电路控制功率管使光伏电池输出最大功率。但是，由于电路自身硬件结构的限制，其效率很难达到80％以上，而且当单片机的PWM输出占空比较低时，光伏电池的平均功率很难通过MPPT变换器向储能设备提供，这样就造成了光伏电池功率的严重浪费。当MPPT变换器的效率在80％以下时，即使光伏电池工作在最大功率点处，储能设备得到的功率也很低，因而失去了MPPT变换器的实际利用价值。
鉴于以上问题，本文提出基于TI公司生产的TPS62050芯片来实现MPPT变换器功能的方案。该芯片内部集成了开关功率管，是一款典型的BUCK转换器，且其同步降压型的控制电路异常高效，其典型效率图如图6所示。

对于所有的BUCK转换器来说，效率与输入输出电压差成反比，而且在轻负载情况下，固定频率PWM转换器的效率还将显著降低。在这种情况下，TPS62050提供了节电模式(PFM模式)以提高其效率。根据工作情况，通过单片机MSP430控制转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式，而在较重负载电流条件下，则使用PWM模式，这样可使转换器在宽泛的输出电流下保持很高的效率。

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TPS62050的电路效率图如图7所示。从图7可以看出，该芯片在输出电流为200 mA时，其效率高达93％，而选用的光伏电池为开路电压10 V，短路电流190 mA。按照通常经验，光伏电池的最大功率点大约为其开路电压的85％，即8．5 V，而锂电池的充电电压为3．6—4．2 V。这样。由图7可以得出，在该BUCK转换器的输入电压为8 V，输出电压为3．6～4．2 V时，该芯片的效率在90％左右，而且该芯片的输入电压为2．7～10 V的宽电压输入，从而使得电路的应用范围更加广泛。但是在实现过程中，仍要控制BUCK转换器的占空比。本文通过MSP430F161l单片机控制数字电位器的阻值来控制TPS62050第5脚FB(反馈端)的分压，从而间接地改变BUCK转换器的占空比，实现光伏电池输出功率的改变与MPPT变换器的高效，两者的最优比可使储能设备获得最大功率。其系统控制电路如图8所示。

6 仿真实验数据分析
表1是在相同光照和温度下，光伏电池功率与MPPT变换器在不同效率下，储能设备所获得的功率数据。

从表1可以看出，当光伏电池最大的输出功率(MPPT)为1 071 mW、MPPT变换器的效率为87％时，储能设备得到的功率为932 mW。而在光伏电池输出功率为1 056 mW、MPPT变换器的效率为90％时，储能设备得到的功率为950 mW，在这种情况下，储能设备可获得最大功率。
通过Matlab仿真表1所列的数据，可得到图9所示的不同效率下MPPT变换器光伏电池功率与储能设备所获得的功率关系图。

从图9可以看出，光伏电池的输出功率先是增大到最大功率点处，然后逐渐减小，储能设备获得的功率变化也是这样。从图9中还能直观地看出，当光伏电池输出最大功率时，储能设备并未获得最大功率，而通过单片机控制，当光伏电池输出功率与MPPT变换器效率在最优比的情况下，储能设备可获得最大功率，即此时储能设备将从光伏电池中获得更多的电能。

7 结语
通过仿真验证，采用低功耗单片机MSP430F1611控制数字电位器来间接控制MPPT变换器TPS62050，可以实现储能设备的最大功率点跟踪，该控制器通过高效的算法和合理的硬件电路，能够最大限度地利用光伏电池给锂电池充电。但该控制器仅为单个控制，在以后的工作中可以进一步改进，比如将该系统做成分布式系统，将每个子系统作为分机，然后通过ZigBee等无线技术把各个子系统的状态值发送到基站总体进行远程监控。这样有利于集中监测和管理处于不同位置的分机，极大地减少人力、物力和财力，也更方便维护分机。