基于boost电路的光伏充电系统

摘要：本文章着重介绍了如何用实现 MPPT（最大功率点跟踪）， Boost 电路详细的工作原理，其中涉及到multisim 的主电路仿真和 matlab 建模的具体实施的过程，对参数的选择和系统的优化做了详细的描述，在实际测试中更加验证了方案的合理性及实用性。关键词：MPPT Boost 电路 multisim 仿真 matlab 数据处理前言：随着能源的消耗， 可再生能源的发展被放到了越来越重要的位置， 在可再生能源资源中 , 太阳能由于其普遍性 , 丰富性和可持续性， 成为了最基本的、 必备的可持续资源， 太阳能电池是一种有效的利用太阳光来发电的装置。太阳能电池的工作电压随着温度升高而下降，而蓄电池的充放电电压随充电电流升高而增加，在太阳电池组件中为 保证夏天高温天气能对蓄电池正常充电， 组件的标准峰值工作电压一般比较大， 从而使太阳电池通常有较大一段区间没有真正工作在最大功率点，造成太阳电池以及蓄电池配置容量增加，增大了光伏系统的成本。这里我们引入一个概念 MPPT （最大功率点跟踪）， 在一般的光伏系统中 都没有没置 MPPT电路，而由太阳能电池直接给蓄电池充电，把 MPFF控制技术运用在温差变化较大的场合，特别是对于冬、夏以及全日温差较大的地区有明显的技术意义， MPPT跟踪能有效提高太阳电池的输出。最大功率跟踪 （ MPPT） 是一个电路动态负载匹配的过程， 一般都是在太阳能电池与负载之间接一个 DC/DC变换电路，当外界条件变化引起最大功率点发生变动时，调节与负载电阻并联的 mos 管的占空比使得外部的等效电阻始终等于太阳能电池的内阻，实现动态的负载匹配，继而得到了太阳能电池的最大功率输出。太阳能电池系统的机械结构：图 1 太阳能电池系统由上图可以看到整个太阳能电池系统，它由 PV板，固定支架，监控云台，控制装置所组成。监控云台作为调节太阳能电池板角度的仪器， 此云台可以双轴转动。 图中， 上方是太阳能电池板， 中间是监控云台，最下面的是手动调节角度的装置。图 2 固定支架太阳能电池板与监控云台是通过铝合金支架连接起来的，监控云台上端有 6 个螺母孔，在太阳能光板的背面的支架上相应的打上 6 个孔，通过螺母是两者连接起来，连接图如图 2 所示。电气系统：整个机械和电气子系统被集成到了太阳跟踪系统中，如图 3 所示，太阳跟踪系统的框图包括了大部分的电器组件。光伏电池是一种帮助把太阳能转化为电能的设备。选择的太阳能电池板能够产生 50 W 功率。根据供应商规范 , 它的重量约 4.5 千克，尺寸为 630mm× 550mm× 30mm。图 3 太阳能系统总体原理图Boost 电路的基本工作原理：根据输入电压与输出电压关系的不同， DC / DC转换电路可分为降压、 升压和升降压三种基本类型。由于太阳能光伏阵列工作时受光照强度的影响很大， 即天气状况对其有很大的影响， 综合分析后， 一般选用升压型 DC / DC 变换电路。 因为升压型 Boost 电路可以始终工作在输入电流连续状态， 只要输入电感足够大，电杆上的纹波电流就能足够小，接近于直流电流，所以这里，我们采用升压型 Boost 电路来实现最大功率跟踪。升压型 Boost 电路原理如图 1 所示。图中，作为开关器件的 Q 是 N 沟道金属氧化物半导体场效应管，输出电压 U o 与输入电压 U i 的比例关系就是通过控制栅极 PWM（脉宽调制）信号的导通占空比来进行调节的。设电感和电容的取值足够大， 电路每个工作周期按 Q 导通和关断分为两个阶段。 当 Q 导通， 电感L 储能， 电感电流增加， 感应电动势为左正右负， 二极管 D 截止， 负载仅靠储于电容 C 的能量维持工作；当 Q 关断， 电感电流瞬间不能突变， 产生的感应电动势左负右正， 迫使二极管导通， 电源和电感共同向负载供电， 同时还给电容 C 充电。 一个周期 T 内，电感 L 两端电压 UL 对时间的积分为 0 ，则有：（ 1）由此推得下式：（ 2）由于 ，并记 , 则（ 2）式整理后便的出输出输入的电压关系为：（ 3）式中： T——— 开关周期；ton ——— 开关管导通时间；toff ——— 开关管关断时间；α ——— 开关占空比；Ui 、 Uo——— Boost 电路的输入、输出电压。图 1 boost 升压电路Boost 电路的输入电压即为太阳能电池的输出电压。 设输出电压 U o 加在纯电阻负载两端。 从以上分析中我们可以得到，负载曲线与太阳能电池曲线的交点改变时，当改变占空比时就可以改变 Boost 电路的放大倍数。因此，通过改变占空比就可在限定范围内调节太阳能电池的输出电压，使得输出的电压为恒定值。Boost 电路的具体实现及改进：在大多数 Boost 电路中，都会采用 PWM控制方式来调节开关管的占空比，来满足功率最大化的需要。在这里我们采用单片机作为主控单元， PWM信号由单片机的定时器中断产生。 开关元件选用 IRF540N， 它是一种 N沟道的 Mosfet 管， 开启电压在 2V 到 4V 之间。但是实际中为了使开关元件充分导通， 一般给栅极的电压要在 10V-15V，而单片机端口的输出一般都是 3.3V 或者 5V，驱动能力也不足 ，因此必须选择一个合适的驱动电路来驱动 Mosfet 管。IR2110 是一款集成驱动芯片，价格低廉驱动能力很好，而且电路比较简单，驱动电路如图 3 所示，实际应用中我们用它的低端驱动。 IR2110 采用 CMOS工艺制作，逻辑电源电压范围为 5-20 V ，适应 TTL 或CMOS逻辑信号输入，具有独立的高端和低端 2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，允许逻辑电路参考地 (Vss) 与功率电路参考地 (COM)之间有 -5 ～ +5 V 的偏移量，并能屏蔽小于 50 ns 的脉冲。采用 CMOS施密特触发输入，以提高电路的抗干扰能力。 IR2110 由逻辑输入、电平平移及输出保护组成。逻辑输入电路与 TTL／ CMOS电平兼容；逻辑电源地 (Vss) 和功率地 (COM)之间允许有± 5 V 的偏移量；工作频率高，可达 500 kHz；开通、关断延迟小，分别为 120 ns 和 94 ns：输出峰值电流可达 2 A，上桥臂通道可承受 500 V 的电压。自举悬浮驱动电源可同时驱动同一桥臂的上、下两个开关器件，大大简化了驱动电源设计。图 2 IR2110 驱动电路Boost 电路参数计算与选择：升压电感的选择：本系统中，光伏阵列最大功率点在 17.2V 左右，假设输出电压如果为 60v 此时占空比 D: 临界电感值为：——光伏电池板输出端电压；——变换器输出端电压；——开关管工作频率；根据计算结果，实际选用电感值为 200 μ H。输出电容的选择：根据变换器性能指标参数的要求，输出电压纹波应小于 0.5%Vo，因此有：实际中我们的电容取值为 4700uF。二极管的选择：对于二极管的选择， 同样需要考虑电压应力、 电流应力以及反向恢复时间。 在此 Boost 电路中升压二极管的的电压应力为输出电压 Vo 的值，升压二极管的额定电压应该大于 60V ，而电流应力为光伏电池板的输出电流 Ii ， 其最大值为短路电流 1.95A ， 故二极管额定电流大于 5A 即可。 同时应尽量选择具有快恢复特性的二极管， 综合上述因素， 最终选择肖特基二极管 SR10150， 其电压额定值为 150V ， 电流额定值为 10A 。输入端并联电容的改进实现光伏电池的最大功率跟踪， 需要不断检测电池的输出电压与输出电流， 经 A / D 转换送入单片机， 单片机根据所采用的控制算法进行一系列判断处理后发出相应的 PWM 控制信号。因为光照强度的变化， 导致太阳能板的输出不是恒定的， 需在变换电路输入侧并接电容， 才能保证开关断开时太阳能电池的输出连续， 从而降低系统的损耗。 本文中发现 MOS 管处于导通和关断两种不同状态时， 检测点处的电压会产生很大波动， 这意味着同一稳定状态的不同采样时刻得到的数据将会有很大差异， 它将直接影响检测数值的可靠性，从而降低控制性能。为此，在 Boost 电路的输入侧并联一个小电容。它能够在 Boost 电路开关期间维持 PV 两端的电压， 实质上降低了 PV 输出电压和电流的波动。如果对采样的数据再进行数值滤波， 可以得到更精确的电压电流采样值。此外， 这种并联电容改进方法还能起到减小 Boost 电感值的作用。输入电容的选择通过电容 C1 的电流 为光伏电池板电流 减去电感电流 ， 对电容产生的纹波电压为 ?Vin ，有：则：据此得输入电容取 22uF。辅助电源设计：在单片机供电，驱动电路，保护电路中需要用到 +15v ,+5 两种电源，为了保证各部分电路能够正常工作，需要进行辅助电源的设计，辅助电源是这样来的，先引入 220V 市电通过变压器转换成 18V 的交流电，再经过整流桥和滤波电容进行三级的整流滤波，三个电容值分别为 4700uF ， 10uF ， 0.1uF ，滤波之后得到的直流电压经过 LM7815 稳压芯片之后，在其输出端即可获得精度高、 稳定性好的 +15v 电源， 再经过稳压芯片 LM7805 和一级 0.1uF 的电容稳压滤波，得到 +5v 的稳压电源。辅助电路设计：电压采样电路：电压采样电路结构较为简单，即在输出对地并联两个精确电阻，阻值比为 5:1 大小为 10KΩ 以上，假若输出电压为 16v 则从小电阻上的分压为 3.2v ，直接输入单片机进行处理得到输出电压。电流采样电路：电流采样电路直接用集芯片 ACS712 来采电流，芯片原理：该芯完全基于霍尔感应的原理设计，由一个精确的低偏移线性霍尔传感器电路与位于接近表面的铜箔组成， 电流流过铜箔时， 产生一个磁场 , 霍尔元件根据磁场感应出一个线性的电压信号，经过内部的放大、滤波、斩波与修正电路，输出一个电压信号，该信号从芯片的第七脚输出，直接反应出流经铜箔电流的大小， 输入与输出在量程范围内为良好的线性关系。采样电路如图 3 所示：图 3 电流采样电路仿真结果及分析图 5 是对 Boost 电路所进行的 multisim 仿真，仿真模型如下所示：图 5 Boost 电路仿真分析图 6 为它的输入输出波形的关系：图 6 输入输出波形图 7 为此时的占空比，可见，此时占空比为 62.16 ：图 7 占空比的波形在仿真模型中，为了联系实际中的光照，以一个 19V 到 20V 占空比为 1:1 的脉冲信号作为光伏电池的输出，即输入电压 Ui ，二极管用肖特基二极管， MOS 管用 IRF540N， PWM 信号以脉冲源代替， 驱动电路参数和器件型号均与图 3 相同， L = 0.2mH ， C =4700uF ， R = 100 Ω ， f =50 kHz 。给定不同的导通占空比， 得到表 1 所示数据。α Ui Uo Io 0.3 19v-20v 30.722v 0.308A 0.4 19v-20v 37.992v 0.381A 0.5 19v-20v 41.604v 0.415A 0.6 19v-20v 47.268v 0.472A 表 1 不同占空比下的输入输出关系由上表可以看出， 输入输出满足关系式（ 3）， 等效输入电阻的实际值与理论值虽然有一定的差距，但其变化规律和趋势却是与理论分析是相吻合的。出现这种差距的原因主要是理论值是在功率绝对平衡的理想状态（即转换效率 100%） 下得到的，这是由于器件自身的功率损耗和参数之间匹配不够好也对其产生了影响。光照强度的测量及电路：在本课题中我们要研究的是在不同的光照强度下，观察输出最大功率的变化，所以必须对光照强度做出精确地测量，这里我们采用站们的测量光强的集成模块（光照度传感器 GY-30 光强度模块），其接线图如图 7 所示：图 7 光照强度传感器接线图 8 光照强度传感器实物图数字光强度检测模块（ GY-30）采用 ROHM原装 BH1750FVI芯片，供电电源可以在 3v 到 5v 之间，光照度范围在 0-65535 lx 。传感器内置 16bitAD 转换器直接以数字的形式输出，省略复杂的计算，省略标定不区分环境光源接近于视觉灵敏度的分光特性可对广泛的亮度进行 1 勒克斯的高精度测定。MPPT性能测试：如图 9 所示为 MPPT的实际运用电路图：图 9 MPPT 右上角为电流采样模块（ ACS712），中间为 MPPT光伏变换器最重要的任务就是进行最大功率跟踪控制，因此对于变换器 MPPT 跟踪性能的测试极为重要，本测试环境，即在室温恒定的情况下，改变太阳能电池板的角度，使得光照强度发生变化，并记录每个时刻的光照强度和输出最大功率，测得的结果如下图所示：综上分析可以看出，当光伏系统工作在最大功率点时，如果光照强度增加，最大功率点电压也相应增加，根据光照强度的变化而改变，光照强度和最大功率点电压的关系如图 11 所示。可以看出，在光伏系统稳工作区，与光强的关系在工作区近似于一条直线，在一个小区间内，可以认为它们的关系是线性的。当光强快速变化时，光伏阵列的最大功率点电压应该与光照强度的变化相对应。如光照强度随时间线性增大时，最大功率点电压也应该线性上升。为了进一步测试换器 MPPT 的追踪最大功率的能力， 在太阳能电池板上随机产生阴影效果， 当有阴影产生时变换器能够快速的追踪此时到光伏电池的最大功率点。 取消阴影效果， 变换器又回到原来的最大功率处。本实验在于测试光伏电池在随机阴影的影响下，光伏系统追踪最大功率点的能力， 可以看出， MPPT 追踪曲线随着阴影的变化而变化，时刻追踪光伏电池的最大功率点。总体测试当各个模块电路调试完毕并检测无误后将各模块电路连接起来 , 组成完整系统 , 进行整体的测试。本实验所用的太阳能电池板输出最大功率为 30W,开路电压为 22.12V, 短路电流为 1.95A 。因太阳能电池板的输出电压较大 , 故采用分压法来采得输出电压 , 最大输出电流不超过 2A, 通过电流采集模块直接输出以电压的形式 , 输出电压同样在 3.3v 以内，单片机可以直接采集。因为太阳能电池板的内阻随外界条件变化很快 , 直接放在太阳下做实验测试的前后数据会是不同功率曲线上的点 , 所以结果不准确。为了取得较好的实验效果 , 采用 350w 氙气灯直接照射太阳能电池板的方法（氙气灯的光谱最为接近于太阳光， 因为太阳能电池板需要输出 30w的功率， 这里采用 350w氙气灯为宜） ，在太阳能电池板温度基本稳定在时 , 进行测试 , 得到了如下结果。结果：结论仿真和实验结果表明： 理论分析合理， 所设计的 MOS 管驱动能可靠正常工作， 变换电路输入侧并联小电容可改善检测点电压的波形，直接提高电池输出电压采样值的准确性。此外，仿真结果显示， 负载与储能电感等因素会直接影响变换电路的输出， 建议在具体电路设计时先估算负载范围， 再进行相应的电路参数匹配。另外， 在 Boost 输出端接蓄电池储能环节， 再由蓄电池给负载供电，这样可以保证负载获得稳定的电源， 而且能在一定程度上钳制住 Boost 电路的输出电压。同时， 当调节占空比 α 时就间接改变了光伏电池的输出电压并实现了其工作点的变化。