光伏阵列MPPT充电控制器的设计_邓仙玉

电气自动化 2011 年第 33 卷 第 5 期 新能源发电控制技术The New Energy Power Control Technology28 Electrical Automation光伏阵列 MPPT 充电控制器的设计邓仙玉 魏学业（ 北京交通大学 电子信息工程学院 ， 北京 100044）摘 要 针对实时追踪光伏阵列最大功率输出的问题 ， 设计了一种通过检测光伏阵列输出电压和电流的大小 ， 实时高速改变充电控制脉冲的占空比 ， 从而实现最大功率点跟踪的充电控制器 。 采用 CS51221芯片和 DC － DC 变换电路实现了这种控制方案 ， 并对其进行了计算机仿真 ， 仿真结果表明此方案能很好地实时追踪光伏阵列最大功率点 ， 有效的提高能源的利用率 。关键词 MPPT 光伏阵列 充电控制器 DC － DC［ 中图分类号 ］ TM615 ［ 文献标志码 ］ A ［ 文章编号 ］ 1000 － 3886（ 2011） 05 － 0028 － 02Design of Photovoltaic Array MPPT Charge ControllerDeng Xianyu Wei Xueye（ School of Electronics＆ Information Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， China）Abstract A photovoltaic array charge controller is designed to solve the problem of real － time tracking of maximum power output ． The dutycycle of charger is determined through real － time detecting voltage and current of PV Array ． The chip CS51221 and a DC － DCconverter are used to the design scheme． The computer simulation proves that the scheme can track the maximum power pointaccurately ．Keywords MPPT photovoltaic array charge controller DC － DC收稿日期 2011 － 03 － 240 引 言太阳能以其资源丰富 、 分布广泛 、 清洁可再生等特点 ， 受到越来越普遍的重视 。 目前 ， 太阳能电池面临着造价高等问题 ， 所以如何提高太阳能电池即光伏阵列的利用效率成为研究的热点 。充电控制器是连接光伏阵列与用电负载的枢纽 。 目前市场上较为成熟完善的充电控制器采用 PWM （ Pulse Width Modula-tion） ， 即脉冲宽度调制模式 ， 然而这种模式下往往不能使光伏阵列工作在其最大功率点 （ Maximum Power Point， MPP） ， 造成能量的损失 。 为了提高发电效率 ， 需要采取一定的控制方法实时追踪光伏阵列的输出功率 ， 使其工作在最大功率点上 。 此过程称为最大功率点跟踪 （ Maximum Power Point Tracking， MPPT） 。1 MPPT 控制原理1． 1 光伏阵列输出特性图 1 不同光照强度下 I － V 曲线光伏阵列的输出呈现出一个非线性的状态 ， 在 不 同的 光 照 条 件下 ， 它的 I － V曲线 及 P － V曲线分别如图1、 2 所示 。由图 1 及图 2 可以得出光伏阵列的输图 2 不同光照强度下 P － V 曲线出特性 ① 光伏阵列在输出低电压段相当于 恒 流 源 ， 高电压段相当于恒 压 源 。 ②光照强度对短路电流的影响很大 。 短路电流随光照强度的 增 强 而 增大 。 ③ 输 出功率随光照强度的增强而增大 。 在每个光照强度下的 P － V 曲线都有一个最大值 ， 即最大功率点 MPP（ Maximum PowerPoint） 。1． 2 MPPT 控制原理最大功率点跟踪 （ MPPT） 控制是指实时检测光伏阵列的输出功率 ， 采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出 ， 通过改变阻抗情况来使太阳能电池板输出工作在最大功率点上 。图 3 所示为 MPPT 工作原理示意图 。 图中曲线 Ⅰ 、 Ⅱ 是两种不同光照情况下光伏阵列的 Ⅰ － Ⅴ 特性曲线 ， A、 B 分别为情况Ⅰ 、 Ⅱ 下光伏阵列的最大功率点 ， 负载 1、 负载 2 为两个不同负载的特性曲线 。 假设光伏阵列一开始工作在 Ⅰ 情况下的最大功率点 A 点 ， 光强减弱使得光伏阵列的输出变化至特性曲线 Ⅱ ， 由于负载没有改变 ， 光伏阵列的工作点转移到 A 点 。 而此时光伏阵列的最大功率点为 B 点 ， 这就需要对其外部电路进行控制使负载特性变为负载曲线 2， 实现与光伏器件的功率匹配 ， 从而使光伏新能源发电控制技术The New Energy Power Control Technology 电气自动化 2011 年第 33 卷 第 5 期Electrical Automation 29图 3 MPPT 原理示意图阵列输出最大功率 。为了 使 光伏阵列带任意电阻负载时都能工作在最大功 率 点 上 ， 必须在负载和光伏阵列之间加入一个阻抗变换 器 ， 一 般 使用 DC － DC 变换器来实现 ， 通过调节开关管的导通时间来调整负载阻抗 ， 从而实现光伏阵列的最大功率点跟踪 。2 MPPT 控制器设计本文采用 PWM 控制芯片 CS51221来提供不同占空比的控制波形 。 该芯片提供软启动 、 可调节逐脉冲限流 、 欠 /过压锁定 、 热关断等保护特性 ， 并且提供辅助输入端 ， 用于远程传输和监控 。通过改变 PWM 波形的占空比来调节光伏阵列的等效负载 ， 以保持光伏电池的输出工作在最大功率点附近 。 本文避免了使用价格昂贵的微控制器 （ MCU） ， 大大降低了成本 ， 并且方案简单易实现 ， 具有重要的实际意义 。2． 1 控制器结构及工作原理本文以图 3 所示原理为基础设计了一个 MPPT控制器 ， 其结构如图 4 所示 。图 4 控制器结构框图由于光伏阵列的输出范围较大 ， 大概在 12 － 24 V 之间 ， 而蓄电池的电压为 12 V， 给蓄电池的充电电压最好在 14 － 15 V， 因此需要对光伏阵列输出做一个电压变换 。 PWM 控制电路输出一个PWM 波形 ， 用来控制 DC － DC 变换器中半导体开关管的开通关断动作 ， 从而改变 DC － DC 变换器的储能及释放 ， 将光伏阵列的输出转换成 15V 直流电 ， 再向蓄电池充电 ， 并且调节负载特性 ， 使光伏阵列输出达到最大功率点 。 为了保持稳压输出 ， 需要在输出端取一个反馈电压 ， 并与芯片内部的基准电压进行比较 。 电流限制电路能够实时地根据光伏阵列的输出设定电流限制 ， 电流检测电路对电流进行取样 ， 并与电流限制作比较 。 电压 、 电流比较的结果用以调节 PWM 控制波形的占空比大小 。2． 2 MPPT 电路MPPT电路的作用是利用光伏阵列的输出特性 ， 逐周期的找到光伏阵列的最大输出功率点 。 在 DCM（ 断续电流模式 ） 反激的每个导通周期 ， 开关管的电流从零开始上升到内部允许的最大电图 5 MPPT 电路图流限制 ， 一旦 光 伏阵列的最大功率被超过时 ， 电压 下 降到零 。 其原理图如图 5 所示 。光伏阵列的电压 通 过 R1， R2 的分压 ， 与 Q1 基极电压 VB Vr － 0． 7 比较 。 如果电压高于， Q1、 Q2 均不导通 ，此时的电流限制LIMT1 Vr R6/（ R5 R6）（ 1）如果电压低于 VB，Q1、 Q2 导 通 ， 此 时的电流限制LIM T2 Vr 9R6 ∥ R4） /［ R5 （ R6 ∥ R4） ］ （ 2）理想情况下 ， 电流限制 LIMIT 将设定在光伏阵列的最大功率点上 ， 最大化利用所提供的光伏电池板的容量 。3 DC － DC 变换器DC － DC 变换器是接在直流电源和负载之间 ， 通过半导体开关器件的开关动作将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路 。 它在光伏发电系统中 ， 常用于电压变换使用 ， 如直流光伏输电线路 、 逆变器和负荷间的电压匹配变换等 。 常见的拓扑结构有单端正激型 、 单端反激型 、 推挽变换型及桥式变换型等 。图 6 单端反激变换器原理图本 文 中的 DC － DC变换 器 采 用单端 反 激 拓扑 结 构 。 单端反 激 式 开关电 源 是 一种成 本 最 低的 电 源 电路 ， 输 出 功率 为 20 －100 W， 可以同时输出不同的电压 ， 且有较好的电压调整率 。 其典型电路如图6 所示 。所谓的单端 ， 是指高频变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧 。 所谓的反激 ， 是指当开关管 Q1 导通时 ， 变压器 T 的初级电压感应到次级 ， 但是由于感应电动势上负下正 ， 所以整流二极管 D1处于截止状态 ， 在初级绕组中储存能量 ； 当开关管 Q1 截止时 ， 这个感应电动势通过变压器的绕组耦合到次级 ， 由于次级的同名端和初级是反的 ， 所以次级的感应电动势是上正下负 ， 当次级的感应电动势达到输出电压时 ， 次级整流二极管 D1 导通 ， 初级电感在Q1 开通时储存的能量通过磁芯耦合到次级电感 ， 然后通过次级线圈释放到次级输出电容 C1 中 。（ 下转第 51 页 ）变流技术ConverterTechniques 电气自动化 2011 年第 33 卷 第 5 期Electrical Automation 51大才使得电磁转矩维持最大值 ， 而且可以发现定子电流的频率在此阶段也是逐渐增大的 ， 即实现了电机的软启动 。由图 12 可见 ， 定子磁链轨迹很逼近理想圆形轨迹 ， 这正是矢量控制所追求的控制效果 。 矢量控制的实质是在定子绕组上施加连续的定子电流矢量 ［ 1］ ， 故而磁链轨迹接近圆形 ， 只是在动态过程中磁链轨迹偏离期望轨迹较大 。图 13 为稳态运行时的转速 、 转矩 、 定子电流和定子磁链波形 ， 为了清晰观察做了局部放大 ， 可见尽管系统稳态运行但这些变量都有波动 ， 做定量分析可以发现转速的脉动幅度远远小于转图 13 稳态时转速 、 转矩 、 电流和磁链波形矩 、 电流和磁链的脉动幅度 ， 这是因为前者的变化同时受机械惯性时间和电磁时间常数影响 ， 而后三者只受电磁时间常数影响 ，机械惯性时间常数又远大于电磁时间常数 。4 结束语本文在分析异步电机矢量控制原理与系统结构的基础上 ， 借助 Simulink 和 PSB工具箱中的库元件 ， 建立了异步电机矢量控制变频调速系统的模型并进行了仿真实验 。 仿真结果不但验证了该模型的有效性 ， 而且验证了矢量控制变频调速系统的良好动静态性能 动态响应快 ， 超调量小 ［ 1］ ， 稳态转速脉动小 。参 考 文 献［ 1］ 王成元 ， 夏加宽等 ． 电机现代控制技术 ［ M］ ． 北京 机械工业出版社 ，2006 153 － 161．［ 2］ 郝晓弘 ， 魏祥林 ， 李翠明 ． VC 与 DTC 在 PMSM 转矩控制中的比较研究 ［ J］ ． 电气自动化 ， 2008， 30（ 4） 24 － 27．［ 3］ 陈勇 ， 张大明 ， 姜丕杰 ． 电动汽车用异步电机矢量控制系统仿真研究［ J］ ． 系统仿真学报 ， 2007， 19（ 16） 3761 － 3765 ．［ 4］ 洪乃刚 ． 电力电子 、 电机控制系统的建模与仿真 ［ M］ ． 北京 机械工业出版社 ， 2010．【 作者简介 】 魏祥林 （ 1978 － ） ， 硕士 ， 讲师 ， 研究方向为电机控制 。 周启华 （ 1984 － ） ， 助教 ， 主要从事电气自动化方向的教学和研究工作 。 宁俊宝 （ 1987 － ） ， 硕士研究生 ， 研究方向为电机控制欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁欁。（ 上接第 29 页 ）反激变换器中高频变压器 T 是电路的核心 ， 设计合理的反激变压器可以使整个开关电源稳定 、 高效地工作 。 光伏阵列输出电压为 12 － 24 V， 反激变换器的次级输出为 15 V/2 A 给负载 ， 辅助输出 12 V /1 A 给芯片供电 ， 开关频率为 100 KHz。 根据输出功率ρ o Vo * Io Vf* I f 15* 2 12* 1 42W （ 3）选择 EE28/22 型的铁氧体磁芯 ， 通过计算得到初级电感 Lp 12μ H， 最大峰值电流 Iρ k 10． 6A， 初级绕组 Nρ 6TS， 次级绕组NS 11TS， 辅助绕组 NF 8TS， 采用初级 － 辅助级 － 次级的三明治绕线方式 ， 减小功率开关管的电压应力 ， 从而可以减小吸收电路 ， 间接提高电源的效率 。图 7 光强改变时光伏阵列输出功率图4 仿真及结果本 文 使用 MATLAB的 Simulink工 具 箱 进 行仿 真 验 证 。根 据 光 伏 电池 模 型 及 所设 计 的 电 路进 行 模 拟 仿真 ， 光伏组 件参 数 选 择 如下 内部串 联电阻 0． 24 Ω ，内部并联电阻 260 Ω ， t 25℃ ， 光照强度 1000 条件下短路电流3． 8 A， 开路电压 22． 1 V， 峰值工作电流 3． 5 A， 峰值工作电压 17．5 V， 峰值功率 60． 4 W。 结果如图 7 所示 。图 7 表明在光照强度发生变化时光伏阵列输出功率的变化情况 。 T 0． 8 s 时光强从 1000 变化到 500 ， t 1． 5 s 时变化到750 ， 可以看到输出功率基本与理论值符合 ， 且追踪速度比较快 。5 结束语本文针对充电控制器实时跟踪光伏阵列输出最大功率的控制方法进行研究 ， 首先分析了光伏阵列输出特性及 MPPT 基本控制原理 ， 其次设计了一个基于 PWM 控制芯片及 DC － DC 电路的充电控制器 ， 并进行了计算机仿真 。 结果表明该设计方案可行可靠 ， 能够实时准确地追踪光伏阵列的最大功率 。参 考 文 献［ 1］ 韩文颖 ， 陈爱国 ． 具有 MPPT 功能的太阳能光伏充电器 ［ J］ ． 电子测量技术 ， 2009， 32 （ 10） 30 － 32．［ 2］ 冯垛生 ， 张淼 ， 赵慧 ， 等 ． 太阳能发电技术与应用 ［ M］ ． 北京 人民邮电出版社 ， 2009．［ 3］ 王震 ． 独立太阳能光伏路灯系统中 MPPT 控制器的研究与设计 ［ D］ ．湖北大学 ， 微电子与固体电子学 ， 2009．［ 4］ 杨帆 ， 彭宏伟 ， 胡为兵 ． DC － DC 转换电路在光伏发电 MPPT 中的应用 ［ J］ ． 武汉工程大学学报 ， 2008， 30（ 3） 104 － 106．［ 5］ Abraham I ． Preeman著 ， 王志强等译 ． 开关电源设计 ［ M］ ． 北京 电子工业出版社 ， 2005．［ 6］ Cabal C， Alonso C， Cid- PastorA， et al ． Adaptive digital MPPT control forphotovoltaic applications［ J］ ． IEEE International Symposium on IndustrialElectronics， 2007 2414 － 2419．【 作者简介 】 邓仙玉 （ 1987 － ） ， 女 ， 广西百色人 ， 硕士研究生 ， 主要从事光伏发电理论和技术的研究 ； 魏学业 （ 1963 － ） ， 男 ， 山东临朐人 ， 教授 ，博士生导师 。 主要从事再生能源 ， 测量与过程控制 ， 智能控制 ， 安全监控技术的研究 。