儲能設(shè)備獲最大功率的改進(jìn)型光伏充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對光伏充電系統(tǒng)中能量利用率不高的問題，給出了改進(jìn)型光伏充電系統(tǒng)的硬件及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)基于低功耗單片機(jī)MSP430F1611，利用擾動(dòng)觀察法，通過控制數(shù)字電位器來間接調(diào)節(jié)MPPT變換器的輸出電壓，從而光伏電池功率與MPPT變換器效率在比值最優(yōu)的情況下，可使得儲能設(shè)備獲得最大功率。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該方法可以達(dá)到預(yù)期的效果，儲能設(shè)備在同等條件下能獲得更多的電能。
關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；MPPT變換器；MSP430F1611；擾動(dòng)觀察法

0 引言
太陽能是一種潔凈、無污染且很有發(fā)展前途的可再生能源，與礦物燃料等不可再生的能源相比有著無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型能源，太陽能已經(jīng)引起越來越多國家的關(guān)注和研究。光伏發(fā)電的成本在全球產(chǎn)能提高的同時(shí)不斷減少，預(yù)計(jì)到2050年，由太陽能提供的能源將占到全球能源的11％左右，因此，對太陽能的利用及環(huán)境的改善都有十分重要的意義。由于現(xiàn)有的光伏電池對太陽光的利用率不高，因此，如何高效利用太陽能給儲能設(shè)備充電具有很高的研究價(jià)值。
在光伏系統(tǒng)中，通過最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術(shù)可以使光伏電池輸出最大功率，從而提高光伏電池的能量利用率。但在實(shí)現(xiàn)MPPT的過程中，人們往往忽略了一個(gè)問題，即當(dāng)光伏電池輸出最大功率時(shí)，我們期望的儲能設(shè)備是否獲得了最大功率。儲能設(shè)備最大功率的獲得一定要結(jié)合MPPT變換器的效率，只有當(dāng)光伏電池輸出功率和MPPT變換器的效率達(dá)到最優(yōu)比時(shí)，儲能設(shè)備才能獲
得最大功率。在實(shí)際應(yīng)用中，人們往往期望儲能設(shè)備獲得盡可能多的電能，而不是光伏電池輸出的最大功率。

1 光伏電池的伏安特性與功率特性
圖1所示是光伏電池的伏安與功率曲線。從圖1中光伏電池的V-I(電壓-電流)曲線可以看出，隨著光伏電池電壓的下降，其電流隨之增大；而光伏電池的功率則先是逐漸增大到最大功率點(diǎn)，然后逐漸減小。在實(shí)際情況下，光伏電池的伏安與功率曲線會(huì)隨著光照強(qiáng)度以及外界溫度的不同而發(fā)生變化，為了充分利用太陽能以獲取最大功率輸出，必須跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，從而最大限度地利用光伏電池所提供的能量。

2 光伏MPPT原理
圖2所示是MPPT變換器的硬件實(shí)現(xiàn)原理圖，其核心是利用BUCK轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)這一功能。最大功率點(diǎn)跟蹤算法本質(zhì)上是阻抗匹配，即當(dāng)負(fù)載的阻抗等于光伏電池的阻抗時(shí)，負(fù)載可以獲得最大功率。由于光伏電池的光伏特性受到光照強(qiáng)度、外界環(huán)境溫度等影響，因此，其電壓電流輸出特性呈非線性。這里將光伏電池等效為一個(gè)直流電源和一個(gè)可變電阻的串聯(lián)電路。其中可變電阻的阻值會(huì)受到光照強(qiáng)度、溫度等影響而發(fā)生變化，通過BUCK轉(zhuǎn)換器功率管的占空比變化可以改變其等效電阻Req，其等效電阻Req如下式所示：

其中，D=Uo／Uin為功率開關(guān)管的占空比；Ro為實(shí)際負(fù)載阻抗。當(dāng)BUCK轉(zhuǎn)換器的負(fù)載Ro一定時(shí)，通過改變占空比D，就可以改變Uin，從而改變光伏電池的等效負(fù)載，進(jìn)而改變光伏電池的工作點(diǎn)和輸出功率，找到最大功率點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的最大功率。實(shí)現(xiàn)這一方案(最大功率點(diǎn)跟蹤器)的方法有很多，但都非常復(fù)雜，尤其是在衛(wèi)星等任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)中。然而在很多小型應(yīng)用中，并不需要極其精確的MPPT跟蹤方案，而只需要一個(gè)能量利用率為90％～95％可用電能的解決方案即可。

3 獲得儲能設(shè)備最大功率的實(shí)現(xiàn)算法
光伏系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)的跟蹤方法有很多種，比如恒壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(PO)以及增量電導(dǎo)法(INC)等。這些算法的目標(biāo)都在于從光伏電池中獲得最大功率，而我們期望的是儲能設(shè)備最終獲得最大功率，因此，還要考慮MPPT變換器的效率問題。在本文中，MPPT變換器的效率特指BUCK轉(zhuǎn)換器的效率。由于擾動(dòng)觀察法易于實(shí)現(xiàn)，成本較低，是最常用的方法，因此本文基于擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)儲能設(shè)備最大功率的獲得。
擾動(dòng)觀察法基于以下標(biāo)準(zhǔn)：通過改變等效負(fù)載的阻抗變化來使得光伏電池工作電壓向某一方向擾動(dòng)，經(jīng)檢測，如果光伏電池的輸出功率增加，則意味著光伏電池的工作點(diǎn)向著最大功率點(diǎn)的方向移動(dòng)，即之前的擾動(dòng)方向正確，因此，光伏電池的工作電壓必須進(jìn)一步向原來的方向擾動(dòng)。否則，如果光伏電池的功率下降，則意味著光伏電池的工作點(diǎn)向遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)的方向擾動(dòng)，此時(shí)的光伏電池工作電壓必須向反方向擾動(dòng)。