具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第 19 卷 第 6 期2003 年 11 月农 业 工 程 学 报Transactionsof the CSAEVol. 19 No. 6Nov. 2003具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究欧阳名三 , 余世杰 , 沈玉梁 , 王 飞 , 苏建徽 , 赵 为 , 夏小虎(合肥工业大学教育部光伏工程中心 ,合肥 230009)摘 要 : 从提高户用光伏系统蓄电池寿命和系统性能出发 ,设计出一个户用光伏充电系统 。在这个充电系统中 ,提出了采用具有太阳能电池最大功率点跟踪 (MPPT) 功能和蓄电池充电电压温度补偿功能相结合的充电控制方法 。 实验和模拟仿真证明 ,系统实现了对太阳能电池的 MPPT 控制和对蓄电池充电的温度补偿 。关键词 : MPPT; 光伏阵列 ; 充电 ; VRLA 蓄电池 ; 温度补偿中图分类号 : TK51 文献标识码 : A 文章编号 :100226819(2003) 0620272204收稿日期 :2002211220 修订日期 :2003205212作者简介 :欧阳名三 (1967 - ) ,男 ,副教授 ,博士生 ,研究方向为电力电子与电力传动 ,光伏利用技术 ,能量转换。 合肥工业大学 322 信箱合肥工业大学教育部光伏系统中心 ,230009。 Email: msoy @aust.edu. cn1 引 言太阳能的光伏技术利用在当今世界 ,特别是非洲 、南美 、 澳洲及亚洲各国 ,其增长幅度相当大 ,主要原因是近几年来太阳电池 、 电力电子及微电子技术的快速发展及人们环保意识的不断增强 ,当然 ,许多国家都制定了相应的鼓励政策 ,这也是光伏技术利用快速发展的原因之一 。 例如我国现在实施的西部 “ 光明计划” ,就是资助发展利用太阳能的光伏技术使每户农 、 牧民家庭都用上电 ,解决人畜饮水 、 照明以及收看电视等问题 。但在光伏利用控制技术上 ,由于 CVT (恒定电压跟踪器 ) 的制造相对简单 ,许多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的 MPPT(最大功率点跟踪 ) ,然而 ,这种方式所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电 子 器 件 的 大 幅 度 降 价 , 已 经 显 得 很 不 经 济 [1 ] 。MPPT(只用于 70 W 以上的光伏系统 ) 在蓄电池亏电和光强较弱时 ,可比普通控制器的充电效率提高 30 %[2 ] 。通过对具体系统的计算机仿真表明 MPPT远较 CVT 合理 。 因为硅太阳电池的开路电压在很大程度上受温度的影响 ,其伏安特性也随时在改变 ,CVT 装置不能适应这种改变 ,只能迫使阵列在温度升高时无法避免之效率降低的基础上 ,再附加一个失配的损失 。 MPPT跟踪可挽回由于温度变化而导致的系统失配损失 ,特别是对于冬 、 夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济 、 技术意义 [1 ] 。阀控密封铅酸电池 (VRLA ) 具有蓄能大 、 安全和密封性能好 、 寿命长 、 免维护等优点 [3 ] ,因而在光伏系统中大量采用 [4 ] ,但也存在着充放电控制难等不足 。 实践证明 :由于对铅酸蓄电池过充电保护及对过充电阈值电压温度补偿设置不合理而致蓄电池的使用寿命远远小于预期寿命 ,造成了很大的经济损失 [5 ] 。统计资料显示 ,充放电控制不合理而导致蓄电池提前损坏的要占总损坏蓄电池数的 85 %左右 [6 ] 。 VRLA 电池采用恒压限流充电法 ,对充电电压要求较严格 ,如果电压过高 ,会使电池过充而失水 ,从而造成电池永久性失效 ;如果电压过低会使电池充电不足 ,从而减低电池容量和缩短电池使用寿命 ,因而充电电压的设定至关重要 [7 ] 。由于 VRLA电池的密封结构 ,电解液不能加入 ,这样就对电池的高温和过充电限制更加严格 [8 ] 。 因此在设计户用光伏充电器时 ,在注重太阳能电池最大功率输出的同时要考虑到蓄电池的充放电特性 。由于 CVT 在一定温度条件下 ,基本实现了 MPPT的功能 。 为区分以 CVT 方式实现的 MPPT, 这 里 以 True2MPPT 来 表 示 真 正 意 义 上 的MPPT。2 光伏电池的特性 [ 9]图 1a 是太阳能电池在温度为 25 ℃ 时 ,不同日照下表现出的电压 - 功率特性 。 可以看出在这种情况下 ,采用 CVT (其中 U 约为 420 V 如虚线示 ) 控制基本上能反映电池的最大功率 。图 1 太阳能电池的伏瓦特性Fig. 1 Characteristicsof voltage2power of PV battery272? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图 1b 是太阳能电池在同一日照不同温度下表现出的电压 - 功率特性 。不难看出 ,如果采用 CVT 控制技术 ,同样是在 U 约等于 420 V ,在高温度 (50 ℃ ) 情况下 ,其输出只能达到其最大输出 ( U = 360V) 的 25 % ;而在低温度 (0 ℃ ) 下 ,其输出相比于最大输出 ( U = 510V) 低约 20 %。 因而 CVT 不能实现在不同温度下使太阳能电池输出最大功率 。3 VRLA 蓄电池的充电要求3. 1 充电方式一般蓄电池采用的充电方法有恒流、 恒压和浮充三种基本方式或它们之间的各种组合 。这里我们采用两段式即首先是在 TMMPT 下的恒流充电 ( 电压被限幅 ) ,然后当电池电压达到一定值时采用恒压充电 (电流被限幅 ) 。3. 2 过充电压的温度补偿对过充阈值电压进行温度补偿 ,文献 [3 ] 、 [ 5] 、 [ 6 ] 、[7 ] 、 [10 ]提出的充电电压温度补偿系数大约在 - 3～- 5 mV/ ℃ 之间 。我们考虑到户用光伏系统不同于备用电源系统 ,光伏系统的蓄电池设计的容量有限 ,一天的放电量基本上达到 10 %～ 25 %的放电深度 ,在平均光照下第二天刚好能得到补充 ,有时得不到足够的补充 ,造成几个星期或几个月电池处于低电压不输出状态 [9 ] 。 为能有一个较快的充电速度 (电压高一些电流大一点 ) ,采用 - 3 mV/ ℃ 的温度补偿系数 (对于单层 2V 电池 ) 。 由于采用线性补偿方式较阶梯补偿方式更为合理 [5] ,因而考虑采用线性补偿 ,其电压温度补偿关系式为u = u0 + ( - 0. 003) ( T - T0)式中 u — — —经补偿后的过充电压阈值 ; u0 — — —标准温度 T0 下的过充电压阈值 (一般 T0 为 25 ℃ , u0 不同厂家值有差异 ) , ℃ ; T — — —电池充电时的温度 , ℃ 。4 充电器的设计与实现充电器的电路结构框图如图 2 所示。 IGBT 接受来自微处理器发出经驱动的 PWM 控制信号 ,实现调节充电电压与电流 。 PWM 信号是微处理器根据 Ture2MPPT与蓄电池充电控制需要而送出 。4. 1 Ture2MPPT实现 MPPT 的方法较多 [11 ,12] ,而以 “爬山” 法较为简单 :它通过改变太阳能电池的输出电压 ,并实时地采图 2 主电路结构图Fig. 2 Framework diagram of main circuit样太阳能电池的输出电压和电流 ,经计算得到输出功率 ;再通过这一次得到的功率值与上一次值进行比较 ,如果小于上一次的 ,则说明本次控制使功率输出降低了 ,应控制使太阳能电池输出电压按原来相反的方向变化 。 如果大于 ,则维持原来增大或减小的方向 。 这样就保证了使太阳能输出向增大的方向变化 ,实现最大功率的输出 。输出电压增大或减小的量 ,就是 “ 爬山” 的步长 。 步长的选择影响到跟踪的速度与准确度 。 步长大 ,跟踪速度快 ,但在最大功率点附近功率输出摆动大 ;步长小则跟踪速度慢 ,但输出能更好地靠近最大功率点 。4.2 充电控制为实现 3. 1 中充电方式 ,采用如图 3 所示的控制框图 。 图中的 Vb 是经过温度补偿计算输出的给定充电电压 。 Vp 为太阳能电池输出电压 。这里采用三个闭环是为三种不同充电方式控制 ,同时又使它们相互制约 。4. 2. 1 恒流充电从图 3 中可以看出 ,在电流控制环节的给定端 ,有一个限幅环节 ,也就是说限制了充电电流 。 由于采用电流闭环控制 ,这个限定值就是恒流充电的电流给定值 。在初始充电时 ,电池电压较低 ,图 3 虚线框 Ⅰ 由于积分环节的作用 ,输出达到最大值 ,若此时太阳能有足够的能量输出 ,则虚线框 Ⅱ 输出也达到最大值 ,从而电流给定以限幅值输出 ,实现恒流充电 。同时 ,如果充电电压超过给定电压 ,则转入随后的恒压充电 。图 3 控制流程框图Fig. 3 Control flowchart372 第 6 期 欧阳名三等 :具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net4. 2. 2 MPPT控制充电对于光伏充电系统来说 ,充电电源来自太阳能电池 ,充电电流大小与太阳能电池输出特性有关 。 为最大限度地利用太阳能资源 ,使太阳能电池以最大功率输出 ,保证使蓄电池获得最大的能量 ,MPPT控制器在不停地计算 、 寻找这个最大功率点 。通过输出一个调节电压 ,来控制充电器的电流给定 ,使达到 MPPT目的 。如图 3 中的虚线框 Ⅱ 所示 ,它与充电电压一起调节电流给定 。4. 2. 3 恒压充电蓄电池的电压作为充电控制的外环 ,以 Vb 这个经过温度补偿计算的充电电压作为给定 ,使蓄电池的充电电压始终不会超过此值 。当充电电流从恒流状态退出(不是由于太阳能输出不足 ) 时 ,系统自动转入了恒压充电状态 ,直至充电电流为 0。在此方式下 ,MPPT控制退出 ,即在图 3 控制框图中 ,虚线框 Ⅱ 中的控制环节不起作用 ,而由虚线框 Ⅰ 直接作用于电流调节 ,如图中黑粗虚线所示 。这里由于限幅环节的存在 ,使电流不会超过最大值 。4. 3 True2MPPT软件实现按照 “ 爬山” 法的对太阳能电池进行最大功率跟踪原理 ,流程图设计如图 4 所示 。图 4 最大功率跟踪流程Fig. 4 Flowchart of maximum power tracing5 实验及仿真按照 框 图 2 设 计 的 电 路 , 对 国 产 蓄 电 池 高 特(GOTE) 牌 MF12265 电池进行充电实验 。其浮充电压(25 ℃ 时 )为 14. 5～ 14. 9 V ,我们取 14. 7 V 。 由于它是由6 个 2V 电池单元组成 ,温度补偿系数在原来 2V 基础上乘以 6。 实验中测得在恒压充电阶段的两个不同温度下的充电电压波形如图 6 所示 。在 25 ℃ 时充电平均电压为 14. 7 V ,而 35℃ 时为 14. 5 V 。图 5 两种温度下的充电电压波形Fig. 5 Charging voltage wave diagramof two temperature图 6 MPPT 实验结果图Fig. 6 Result of MPPT experiment在数字式光伏电池模拟器上实验中 ,可以看到系统总是在最大功率点附近摆动 ,测得 MPP 跟踪中的某一点的波形如图 6 所示 ,此时系统正好跟踪在最大功率点 。6 结 论从实验与仿真的结果看 ,系统实现了对蓄电池先恒流 、 后恒压的充电控制 ; 而在利用太阳能电池进行充电时 ,实现了对太阳能电池的最大功率点的跟踪 ,充分利用了太阳能 ;同时 ,在蓄电池的充电过程中 ,实现了温度补偿 ,有利于蓄电池寿命的提高 。这些控制的实现 ,特别是 MPPT的采用 ,可以降低户用光伏系统的太阳能电472 农业工程学报 2003 年 ? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net池板配置功率 ,从而降低系统成本 ,其性能价格比得到有效提高 ,对户用光伏系统的推广应用更为有利 ,为我国的 “ 光明计划” 早日实现加速 。[ 参 考 文 献 ][1 ] 余世杰 ,何慧若 ,曹仁贤 . 光伏水泵系统中 CVT 及 MPPT 的控制比较 [J ]. 太阳能学报 ,1998 ,19 (4) :94～ 98.[2 ] 王斯成 ,朱俊生 ,等 . 荷兰光伏发电近况 [J ]. 太阳能 ,1999 ,2 :25～ 27.[3 ] 刘建平 . 从阀控式密封铅酸蓄电池看充电器 [J ]. 移动电源与车辆 ,2000 ,3 :29～ 32.[4 ] Tom Hund. Capacity loss in PV batteries and recovery procedures[ R]. Photovoltaic SystemApplications Department SandiaNation2al Laboratories 3 , Albuquerque.[5 ] 王 鹤 ,刘东社 ,杨 宏 . 铅酸蓄电池的过充电保护与温度补偿 [J ]. 西安交通大学学报 ,2001 ,35 (12) :1310～ 1312.[6 ] 杨 宏 ,王 鹤 ,等 . 可再生能源发电系统中 VRLA 蓄电池的过充电保护与温度补偿特性的研究 [J ]. 太阳能学报 ,2001 ,22 (2) :223～ 225.[7 ] 沈梦甜 . 电力用阀控密封式铅酸蓄电池维护方法的探讨[J ]. 继电器 ,2001 ,29 (5) :20～ 22 ,26.[8 ] Tom Hund. Test results from the PV battery cycle2life test proce2dure [ R ]. Photovoltaic System Applications Department SandiaNational Laboratories,2002.[9 ] 京特? 莱纳 ,汉斯? 卡尔著 ,余世杰 . 何慧若译 . 太阳能的光伏利用 [ R]. 合肥 :合肥工业大学 ,1991.[10 ] James P. Dunlop Brian N. Farhi. 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The resultsof experimentand simulation showthat this systemcan controlphotovoltaic array by MPPTand achievetemperature compensationrequired by chargingfor storagebatteries.Key words : MPPT; photovoltaic array; charging; VRLA storagebattery; temperature compensation572 第 6 期 欧阳名三等 :具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究