光伏发电系统的MPPT控制技术

  • • 以上多种方式都存在一些不足，那就是初始搜寻上限功率点耗时相对较长，在环境 温度或日照量发生短时剧烈变化的情况下，产生相对振荡的影响。 改进的算法大多数都是在前面三种方式上加入一些规则限制，比如：变步长扰动观 测法，变步长增量电导法和多种方式的组合。

  从图10能够准确的看出，该充电电路的功率TOP部分采用上下2个N沟道的MOSFET， 该电路设计为同步降压(BUCK)方式。使用降压进行太阳能发电的上限功率点追 踪控制，以使太阳能上限功率输出给蓄电池充电。 该BUCK电路与常规的BUCK电路有一点点区别，那就是电感L1和蓄电池充电回 路之间的续流二级管采用了MOSFET代替，它和上管Q1共同工作实现同步整流， 由于它具有极低的Rds导通电阻，所以能实现比采用二极管进行续流高得多的 效率，最大限度地减小损失太阳能宝贵的发电能源，并且不会带来严重的散热问 题。由于Q1工作于浮态，为了能使MOSFET工作于最佳状态，前极使用IR公司的 IR2101半桥驱动芯片来驱动后面的半桥。MC9S08QE128从PTC0、PTC1输出2 路边沿对齐的50KHz互补PWM脉冲来使同步BUCK工作。此时将会启动太阳能最 大功率点追踪(MPPT)功能，从图中可以看到，太阳能电池电压检测由ADC1通道 输入至MCU，电流检测输入为ADC2。MCU发出PWM脉冲时，时刻检测ADC1、 ADC2采用改进的变步长电导增量法处理后实时调整PWM脉冲宽度，使蓄电池以 太阳能电池输出上限功率对蓄电池进行充电。 当正在充电时，通过从ADC6通道检测蓄电池组的温度数据，并且修正充电时蓄 电池温度和浮充电压的关系，以-4mV/℃/Cell的修正量来进行温度补偿。从ADC3 输入的蓄电池电压参数，作为蓄电池充电状态信号。充满时，最高电压控制在 28V.此时，BUCK电路退出MPPT功能，变成恒压输出，并且以恒压方式对蓄电 池进行补充充电。 一个肖特基二极管D2为了防止晚上蓄电池对太阳能电池放电，该二极管也可以用 2个MOSFET反向串联来代替，或者用一个双向可控硅来代替，以减小正向导通 损耗。

  • 理论上任何一种DC-DC电路TOP都适用于 MPPT，不同的只是每种TOP的需要不同的 控制策略。 • 下面先介绍一种比较实用的DC-DC电路TOP， 它是类似于全桥的一种方式，用最少的元件 实现升压、降压功能。 • 美国国家半导体(National Semiconductor) 就是采用这种技术集成在它们SolarMagic™ 方案里。

  这样可以避免将功率计算带入到系统中，没有2个变量的乘法和除法，缩短了计算的时 间。 实现的基本原理是：首先检测光伏电池当前的输出电压U(K)和电流I(K) ，根据前一采 样周期光伏电池的电压U(K-1)和电流I(K-1)计算出变化量；然后判断电压的变化量dU 是否为零。若为零，再判断电流的变化量dI是否为零，若都为零，则表示阻抗一致， 无需调节给定电流的幅值。若电压变化量为零，电流变化量不为零，则表示环境有变 化；若电流变化量dI大于零，减小给定电压的幅值，反之则增加。若电压变化量dU不 为零，则判断公式③是否成立，此时实际是判断(dI/ dU) (I/ U)是否为零,如果等于0， 表示太阳能电池已工作在上限功率点；如果大于0，则增加给定电压的幅值，反之则减 小。 U(K)和I(K)是检测到的光伏电池阵列当前电压 ， U(K-1)和I(K-1)为前一周期采样到的 光伏电池的电压。 缺点：由于搜索上限功率点的方式都是直接需要改变每一次的步长来实现，所以采 用定步长来搜寻，系统搜寻上限功率点将会变得非常缓慢。实现的方式较复杂，程 序需要多分支判断，如果不小心的设置每个分支判断里的参数，有可能MPPT会限 制在一个局部的范围内。 优点：只需要采样太阳能电池电压和电流，最多计算一次电导增量，多数情况只对 电流变化量即可做出正确的判断。当太阳能电池工作温度和环境日照变化时，这种 方式能很平稳的再现真实的上限功率输出，不会有其他方式那样在稳态的时候输出 大的波动。在此方式上加一些改进，即可获得很高的跟踪精度和快速稳定的展示真 实的上限功率。

  当太阳能电池在理想的工作的条件下，接入蓄电池进行充电，如图1所示。 当此时蓄电池电压为11V情况下，此时太阳能电池板工作电压被蓄电池电压钳 位，也同时为11V，而太阳能电池板的工作电流在光照理想的情况下，最大为 5.6A，此时我们大家可以计算出此时真正的太阳能电池输出的有效功率为： Pout=11*5.6=61.6W； 如果随着充电时间延长，蓄电池电压变成12V，此时输出的有效功率为：

  • 通过以上电路实现降压和升压的无缝切换，由于BUCK， BOOST方式都是采用了同步整流模式，所以效率很高。 • 只需要一个电感就能做到升压和降压，无需变压器。

  • 电路涉及到高端MOSFET驱动，驱动电路相对复杂。 • 由于采用同步整流，如果OUT端为电池类负载，需要非常小心 处理同步整流管的状态，否则将可能损坏硬件电路。 • 由于在降压或升压模式下，都将有一个功率开关处于100%占空 比(常开)，如果采用自举供电方式，为了能够更好的保证它有良好的导通电 压，要一直的刷新电荷泵。 • 需要多路带死区时间的PWM输出来控制，控制方式相当复杂， 加上MPPT算法，大幅度提升了系统的复杂程度。

  • 采用MPPT，蓄电池电压不在钳位太阳能电池电压，所以让太阳能电池板能够 输出上限功率通过DC-DC变换，使蓄电池获得最高的充电功率所对应的电流和 电压。这一方式能大大提高充电效率和最高利用太阳能电池发电，比直接接 入蓄电池充电的方式能提高30-40%以上的效率。

  • 要寻找上限功率点，只要在功率对电 压的导数大于零的区域增加电压； 在 功率对电压的导数小于零的区域减小 电压；在导数等于零或非常接近于零 的时候，电压保持不变即可；当电压 不变电流增加时，增加工作电压；在 电压不变电流减小时，减小工作电压。 • 为了计算方便，在计算的时候不进行 功率计算，将计算公式推导变成如下：

  • 1 恒定电压 法 首先我们来看看标准的太阳能电池的P-U特性曲线：特性曲线

  由以上图可以得知，上限功率点点处的电压值大概位于0. 7～0. 9倍Voc (开路电压) 左右,恒定电压法是把太阳能电池开路电压的70 %～90 %作 为上限功率点对应的电压,从而计算出上限功率。但是事实上上限功率点 电压与开路电压的比值并非为一定值,所以存在一定的误差，所以这种方 法并不是真正的上限功率追踪方式。请见下图特性曲线：

  • • • 以一个太阳能充电控制器举例来说明MPPT的电路运作流程。 使用MC9S08QE128 器件作为总系统的核心。 白天控制器将太阳能电池输入的电源通给2个12V/200AH串联的蓄电池组充电，并 时刻检测蓄电池的充电状况,防止蓄电池产生过充情况，并对充电时蓄电池温度进 行检测，对充电时进行温度补偿;到了晚上，控制器一方面将蓄电池里的电放出来 供给LED，由于LED连接方式为40个串联，按每个Vf值3.2V来计算，至少需要 128V的电压才能点亮，所以驱动电路采取同步BOOST电路来将蓄电池电压升压， 以恒流350mA方式对LED进行驱动；另一方面监测蓄电池的放电情况，以防止蓄 电池产生过放情况。 采用MPPT模式对蓄电池进行充电。

  从以上情况能够准确的看出，虽然太阳能电池板具备了自身输出上限功率的条件，但是由于外 部负载的关系，限制了这种特性的输出。所以我们一定要引入MPPT装置来解决这一问题。 一个简单处理方法如下所示：

  采用BUCK同步整流电路DC-DC来匹配太阳能电池和蓄电池之间的阻抗，使太 阳能电池板的输出功率逼近Pmax，由于改变了输入输出之间的关系，设DCDC级效率为96%，忽略MPPT跟踪效率，此时太阳能电池的输出功率为:

  MPPT其实就是一个阻抗变换器，它是连接在太阳能电池和负载之间的一级功率 变换电路。经过测量太阳能电池电压、电流和功率，以及比较它们之间的变化关系， 决定当前功率点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向上限功率点附近 移动，使当前的输出功率点与上限功率点保持一致，到达上限功率点追踪的目的。

  • • • • • • 先让太阳能电池工作某一电压下，记下此时太阳能电池的 功率为Pout1； 然后在这个电压的上加上正向电压扰动量，记下此时的输 出功率为Pout2； 如果Pout2 Pout1，说明正向扰动能增加输出功率，需 要继续向正的方向增加扰动量。 如果Pout2 Pout1，说明正向扰动将会降低输出功率，需 要改变扰动方向，以负向的扰动量改变输出功率。实现流 程如下所示： 缺点：在任何时刻，输出的上限功率点都在真实的最大功 率点附近来回振荡，直接导致在负载上产生电压或电流的 波动。 优点：实现的方式非常简单，只需要采样太阳能电池电压 和电流，计算每一次扰动时的功率，和前一次的功率进行 比较，所以运算量并不大，所需要的时间也很短，在一些 要求不高的系统中，适合采用。 图6：扰动法流程

  随着全球经济的发展，传统的能源为我们带来优质生活的同时，也越来越严重的 危害着我们的生存环境，越来越多的国家开始关注能源利用。最近几年，光伏发电发 电迅猛发展，它有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，因而越来越受大家 的关注。由于光伏电池是采用半导体硅材料来制造，其转换效率一般为14％～17％， 最高商业转换效率也才22%。为了让光伏电池阵列在同样日照、温度的条件下输出更 多的电能，需要一个上限功率点追踪的装置，在任何时刻都可能获得由光伏电池的最 大输出功率，所以在光伏发电系统上需要引入MPPT这一概念。