最大功率点跟踪的太阳能光伏发电系统实验平台设计

刘 洋， 杜玉晓， 蔡梦婷， 王永华

（1.广东工业大学自动化学院，广州510006；2.中国电子科技集团公司第七研究所，广州510000）

0 引 言

太阳能资源丰富、分布广泛、绿色环保，是21 世纪最具发展潜力的可再生能源。充分开发和利用太阳能是解决能源危机与环境保护的有效对策之一［1］。光伏发电是直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。太阳能光伏发电最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）是电气工程专业重要的教学内容。然而，在实验教学过程中，目前大多数集成化的光伏发电系统实验设备价格昂贵、结构复杂、功能繁多、灵活性差、系统运行和维护成本高。因此，开发一套造价较低、结构简单、易于维护、具有MPPT 功能的光伏发电实验教学平台十分必要。

常用的MPPT方法有恒定电压法、电导增量法和扰动观察法。此外，一些学者还提出了梯度计算法［2］、改进的扰动观察法［3］、变步长扰动观察法［4］、功率预测法［5］等，但这些改进方法大多是仿真研究，在教学平台的应用较少。在光伏发电系统中，铅蓄电池的充电方法有直接充电法、恒压充电法和恒流充电法。此外，学者们还提出了可预测最大电流的变电流充电法［6］、免疫模糊算法分阶段充电法［7］、基于UC3909 和超级电容的四阶段充电法［8］、基于智能型扰动观察法MPPT的四段式充电［9］等。但是，以上控制策略复杂，对硬件性能的要求高，系统实现的成本较高。

本文提出一种基于近似梯度变步长扰动观察法的MPPT控制策略，采用STM8S105 单片机和CN3717 蓄电池充电管理芯片，设计一款太阳能智能充电器，它与光伏板、铅蓄电池和变阻箱负载共同构成太阳能光伏发电系统实验教学平台。

1 铅蓄电池四阶段充电

由于铅蓄电池具有价格低、结构紧凑、使用寿命长、基本免维护等优点，常用作光伏发电的储能设备，但是蓄电池过充、过放和长时间浮充将会严重影响其寿命［10］。因此，充电器的设计必须参考充电特性曲线，采用科学的充电策略，对蓄电池的充电条件和方式加以限制。目前普遍采用三阶段充电，即先恒流充电，再恒压充电，最后浮充充电。但由于蓄电池可能出现过度放电的情况，如果一开始就进行恒流充电，则会因为充电电流太大而急剧发热，烧坏蓄电池。所以，最先应采用小电流的涓流充电。这样就构成了涓流充电、恒流充电、恒压充电、浮充充电的四阶段充电方式。

国内CONSONANCE公司生产的蓄电池充电管理芯片CN3717 是PWM降压模式铅酸蓄电池充电管理集成电路，具有TI 公司UC3909 芯片的功能，价格更低，性价比更高，其充电控制曲线如图1 所示。

（1）涓流充电阶段。当蓄电池过度放电后电压低于所设定的门槛电压UT（约为81.8%UOC）时，充电器将提供很小的充电电流IT（约为13%IBULK）。

（2）恒流充电阶段。当蓄电池电压高于UT，充电器提供一个恒定的大电流IBULK进行充电。这是充电的主要阶段，蓄电池电压快速上升，上升到过压充电电压UOC时，进入恒压充电阶段。

图1 铅蓄电池四阶段充电曲线

（3）恒压充电阶段。此阶段，充电器以略高于蓄电池额定电压的UOC进行恒压充电。随着蓄电池端电压逐渐升高，电流按指数规律逐渐减小，直到下降到充电终止电流IOCT（约为10%IBULK）时，充电器输出电压降低到浮充电压UF。此时，蓄电池已基本满充，进入浮充充电阶段。

（4）浮充充电阶段。保持浮充电压UF（约为93.1%UOC）不变，以很小的浮充电流对蓄电池充电，来补偿因蓄电池自放电造成的容量损失。

2 近似梯度变步长扰动观察法MPPT

随着光照强度和温度的变化，太阳能电池有不同的输出伏安特性、功率电压特性。为了最大限度地利用太阳能，提高光伏发电系统综合转换效率，需要实时地检测太阳能电池板的输出电压和负载电流，并使太阳能电池的工作点始终在最大功率点的附近，该过程称之为MPPT［11］。

由图2 可知，太阳能电池的P-U曲线是一条开口向下，连续可导的单峰曲线，顶点是最大功率点，其功率对电压的导数为零，以它为界，可以分为左右两个支。本文提出的近似梯度变步长扰动观察法MPPT的基本思想是：在最大功率点附近采用较小的电压扰动步长保证跟踪精度；在远离最大功率点区域采用较大的电压扰动步长提高跟踪速度。这样能有效地解决定步长扰动观察法最大功率点跟踪的跟踪精度和速度之间的矛盾。

图2 太阳能电池P-U特性曲线

梯度下降法是以最速下降法为基础的无约束最优化问题最简单的计算方法。它将目标函数的负梯度方向作为每步迭代的搜索方向，逐步逼近函数最小值。而MPPT问题可以看作求解功率P-U 曲线的最大值。因此，只需要将负梯度方向变成正梯度方向。电压扰动的迭代公式如下：

式中：Uk、Ik是当前的工作电压和输出电流；Uk＋1、Ik＋1是下一个采样周期的工作电压和输出电流；α 是恒为正的系数；gk是梯度值；αgk是电压扰动的步长，它随梯度的变化而变化，在最大功率点附近较小，电压扰动步长较小；在远离最大功率点区较大，电压扰动步长较大。梯度的公式如下［11］：

式中：U是光伏阵列的输出电压；P（U）是以U为唯一变量的太阳能电池输出功率函数，为连续可一阶微分的非线性函数。如果将连续域求导用离散域一阶差分法表示，梯度值的近似计算可表示为：

根据扰动观察法的基本原理，当gk＞0，表明当前工作点在最大功率点左侧，应该增加工作点电压；gk＜0，表明当前工作点在最大功率点右侧，应该减小工作点电压。综上所述，算法如图3 所示。

图3 近似梯度变步长扰动观察法的MPPT算法流程图

3 充电器设计

3.1 充电控制系统组成

如图4 所示，充电器主要由光伏阵列、光伏控制器、阀控式铅蓄电池、功率电阻负载组成。其中，充电控制器由STM8S105S4T6C 单片机、大容量储能电容器、Buck 直流斩波电路、CN3717 芯片和LCD 显示屏组成。将太阳能电池板输出电压、充电电压、充电电流和蓄电池温度等多个采样信号接入单片机的高速ADC 模块。单片机输出PWM 脉冲驱动主电路的IGBT，经储能电容稳压，完成功率传输和最大功率点跟踪控制。单片机输出充电允许和保护信号到芯片CN3717，它输出PWM脉冲控制Buck直流斩波电路中的PMOS管，实现对蓄电池进行四阶段充电。同时，单片机将过充、过放、充电状态、电量和报警信息都显示在LCD上。

图4 太阳能智能充电器控制系统组成

3.2 CN3717 外围电路设计

如图5 所示，太阳能电池板输出0 ～18 V电压，先经大容量电容器稳压，再经过由单片机控制的MOSFET来进行最大功率点跟踪，然后输入由CN3717控制的Buck降压斩波电路，最后输出可变电压给蓄电池充电。

根据项目所使用的铅酸蓄电池的参数和充电的要求，结合CN3717 芯片的文献资料，确定铅酸蓄电池涓流充电的门槛电压UT＝11.8 V，涓流充电电流IT＝0.65 A，恒流充电电流IBULK＝5 A，恒压充电电压UOC＝14.5 V，恒压充电终止电流IOCT＝0.53 A，浮充电压UF＝13.5 V。然后，对CN3717 外围电路元件的参数进行计算。根据公式：

式中：IB是FB 管脚的偏置电流，典型值为40 nA。通过计算，R7取300 kΩ，R6取100 kΩ。RCS是在CSP 管脚与BAT管脚之间的充电电流检测电阻。根据：

计算出RCS为35 mΩ，一般采用康铜精密电阻。根据恒压充电终止电流的公式：

计算出R3，取200 Ω。为了使充电控制器具有高精度温度补偿功能，对铅酸蓄电池进行温度监测，在TEMP管脚与地之间采用负温度系数为-3.5 mV/℃的热敏电阻，阻值为10 kΩ。

3.3 软件设计

在CCStudio集成开发环境下，用C ＋＋编写模块化的程序。各模块的主要功能如下［12-14］：

（1）初始化模块。系统预设参数初始化，包括单片机内部集成模块寄存器的初始化设置。

图5 CN3717外围电路原理图

（2）模拟信号采样及处理模块。光伏电池输出电压和充电电压检测、充电电流采样和铅酸蓄电池温度检测，信号整形、滤波及A/D转换。

（3）MPPT 控制模块。主要包括基本MPPT 算法和改进型MPPT算法，在实验教学过程中可进行灵活选择。其中，基本算法包括恒定电压法、电导增量法和扰动观察法；改进算法包括本文提出的变步长近似梯度扰动观察法的MPPT算法和其他改进算法。

（4）信息显示模块。显示充电工作模式、充电状态、电流、电压、电量、故障报警等信息。

（5）充电允许/保护模块。完成系统充电允许和对充放电过程中过流或过压保护。如果系统运行参数一旦出现异常，会立刻自动切断充电或者放电回路，保护负载和整个电路。

4 实验平台测试

研制的光伏发电铅蓄电池充电实验教学平台如图6 所示。其中，太阳能电池板的型号为SP-100，最大功率为100 W，输出最高电压为18 V，开路电压为21.6 V，短路电流为5. 89 A，理想条件下的光照强度为1 000 lx，工作温度为25 ℃。胶体密封阀控式铅酸蓄电池的型号为NP65-12，其额定电压为12 V，电池容量为65 Ah。负载采用功率变阻箱，最大允许电流13 A，最大电阻206 Ω。主控板主要完成信号采集与处理、MPPT算法和LCD显示等功能，充电控制板进行铅蓄电池四阶段充电过程的控制。各个功能单元独立分布，易于检修和维护。

图6 光伏发电铅蓄电池充电的简易实验教学平台

为了对实验平台运行时铅蓄电池充电的全过程进行监测，在充电前，将铅蓄电池通过电阻箱过放电后电压为11V。在广州7 月份某天，从8：00 ～19：00，利用该实验平台进行全天候监控与测试，得到的数据如表1 所示。

从表1 可知，光伏电池的P-U曲线与电池板温度和光照强度有关，它们也是影响最大功率点的重要因素。铅蓄电池开始充电0.5 h内，电流仅有0.66 A，属于涓流充电阶段，由于涓流限制，实际输出功率远小于最大功率；随后电流逐渐增加到2.23 A，并进入恒流充电阶段，电流保持在允许最大充电电流5 A左右，在此阶段实际输出功率与最大功率的误差大幅度减小，约为5%，表明本文MPPT算法的控制效果明显，能准确地跟踪最大功率点。在恒压充电阶段，充电电压约为14.5 V，充电电流逐渐减小，仍然能较好地跟踪最大功率点。在浮充阶段，浮充电压受到限制，充电器输出较小功率对铅蓄电池充电。经11 h 运行，蓄电池基本充满电。该实验平台能够按照预设的充电参数长时间稳定地工作，运行正常，满足实验教学需求。

表1 独立太阳能光伏发电铅蓄电池充电系统MPPT测试

5 结 语

针对太阳能光伏发电系统实验教学的需求，从系统的安全性、稳定性、性价比、延长蓄电池使用寿命等多方面考虑，采用了一种变步长近似梯度扰动观察法的MPPT算法实现最大功率跟踪，并结合四阶段充电方式对铅蓄电池充电。通过实际系统运行测试可知，在光照不断变化时，该MPPT 算法能够准确地跟踪最大功率点，提高了太阳能综合能效。研制的太阳能光伏发电铅蓄电池充电实验教学平台具有较高的实用价值，值得进一步深入研究，进行性能优化和推广应用。