基于MPPT的智能太阳能充电系统研究

第４ｌ卷第２期２００７年２月电力电子技术ＰｏｗｅｒＶ０１．４ｌ，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００７Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统研究卢琳，殳国华，张仕文（上海交通大学，上海２００２４０）摘要：实现了一种通过单片机控制开关电源使光伏电池给蓄电池充电的设计方案。系统使用单片机控制反激式开关电源，并精确采样电压值和电流值，形成反馈。采用最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算法，实现了系统工作的高效率。软件和硬件都对系统进行了保护，实现了系统工作的安全性和可靠性。此外给出了实际使用结果。由结果可知。系统工作正常．达到了预期的性能。关键词：太阳能；电池／开关电源；最大功率点跟踪中图分类号：ＴＭ６１５文献标识码：Ａ文章编号：１０００—１００Ｘ（２００７）０２—００９６—０３ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭａｘＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇｆｏｒＳｏｌａｒ－ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｈａｒｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＯｉｌＭｉｃｒｏ．ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＬＵＬｉｎ，ＳＨＵＧｕｏ—ｈｕａ，ＺＨＡＮＧＳｈｉ—ｗｅｎ（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｃｏｎｔｒｏｌｃｕｒｒｅｎｔｐｈｏｔｏｖｏｈａｉｅｍｏｄｕｌｅｔｏｃｈａｒｇｅｔｏｓｅａｌｅｄｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｙｂｙｕｓｉｎｇｍｉｃｒｏｅｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．ＩｔｔｏＭＯＴＯＲＯＬＡｍｉｃｒｏ·ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｃｏｎｔｒｏｌｆｌｙ－ｂａｃｋｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｓａｍｐｌｅｓｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｐｒｅｃｉｓｅｌｙｆｏｒｍｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｕｓｉｎｇＭＰＰＴａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｇｉｖｅｓａｃｈｉｅｖｅｓａｎｔｉｃｉｐａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｒｅａｌｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｓｐｒｏｐｅｒｌｙａｎｄＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｂａｔｔｅｒｙ／ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ１引言最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影响。在太阳光强不变的情况下，随着温度的升高，光伏电池的开路电压降低，最大输出功率随之降低。当温度不变．太阳光强增太阳能是一种清洁高效的可再生能源。在阳光充足的白天，屋顶的光伏电池将太阳能转化成电能，供人们在夜晚使用。据专家预测，到２０４０年，全球的光伏发电量将占世界总发电量的２６％，２０５０年后将成为世界能源的支柱。加时。光伏电池的开路电压基本不变．短路电流大ＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ。图２线性系统电路图图中２最大功率点跟踪最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ幅增加，最大输出功率大（７一电源输出电压卜电池内阻足。——负载电阻简称ＭＰＰＴ）系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系ｇ田。图ｌ示出幅增加。图２示出线性系统电路图【２】。光伏电池输出功率Ｐｂ与输出电压Ｕ。和输出电流ｉ。的关系。图中Ａ为普通控制器使光伏电池工作在１２Ｖ，仅输出５３Ｗ时的功率点（一般功率点）；Ｂ为ＭＰＰＴ控制器使光伏电池始终工作在最大功率点。从而首先，计算消耗在Ｒ。上的功率为：Ｐ１＝船，＝（嵩）Ｒ－、２（１）然后，式（１）两边对尺。求导可得：鲁＝略斋（２）由式（２）可得，当ｒ＝Ｒ，时，ｄＰ。／ｄＲ。＝０，此时Ｐｌ取最大值。输出高达７５Ｗ时的功率点图／与的池电伏光光伏电池的Ｐｂ与‰和。的关系‰和ｉ。的关系定稿日期：２００６—１０—１６作者简介：卢９６由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的影响，其输出电压‰、输出电流ｉ。和内阻ｒ也处于不停变化之中。只有使用ＤＣ／ＤＣ变换器实现负载的动态变化，才能保证光伏电池始终输出最大功率。（最大功率点）。～揪八圳平‘腻，。琳（１９８０一），男，安微合肥人，硕士研究生。研究方向为电力电子技术。万方数据　基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统研究ＭＰＰＴ需要及时准确地采样蓄电池当前的充电电压和充电电流。两者相乘得到当前的充电功率，与前一时刻的充电功率相比较，调节ＰＷＭ的占空比，从而使光伏电池始终工作在最大功率点。图３示出具体的控制策略。图３ＭＰＰＴ控制策略不意图３ＭＰＰＴ的硬件设计由于光伏电池的输出特性呈非线性。且变化幅度较大，所以使用单端反激式变换器。该变换器由升降压变换器加隔离变压器推演而来，能够简单高效地提供直流输出，广泛用于功率１００Ｗ左右的小型开关电源中［３１。控制器工作于电流断续模式。图４示出ＭＰ胛的硬件设计原理。其中，微控制器采用ＭＣ６８ＨＣ０８ＳＲｌ２微处理器，使用Ａ／Ｄ模块采样电源的输出电流和输出电压．继而调节ＰＷＭ占空比。最终实现光伏电池的最大功率输出。ＭＰＰＴ控制策略的效果好坏直接取决于电压和电流的采样是否精确。图４ＭＰＰＴ硬件设计原理图图５示出电压采样电路。它采用光耦ＰＣ８１７和三端稳压管ＴＩＡ３１相配合。ＴＩＡ３１是一种可编程稳压管．当变图５电压采样电路图压器的次级输出电压ｕ。。变化时，光耦的输出电压随之变化，Ａ／Ｄ会采样到当前的充电电压。图６示出电流采样电路。由它对采样电阻Ｒ一两端的电压进行采样，并使用差分式运算放大器放大输出到ＭＣＵ的Ａ／Ｄ采样端，从而得到主电路中的电流值。由于信号需要精确采样，并且与电源隔离．因此使用线性光耦ＨＣＮＲ２００。另外，单片机及周边电路的用电可直接通过蓄电池隔离变压得到，系统无须外部电源供电，十分方便。万　方数据Ｒ图６电流采样电路图４软件分析一◆由于太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的过程，故参数采样无须高实时性，每隔几秒钟采样一次即可满足要求。产生中断的时间间隔是可以调整的，初期较短，可以迅速逼近最大功率点；后期较长。防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断．每次控制比较，均进行３次，当３次的结果一致时，才实施相应的控制策略，否则重新采样比较．这样便最大限度地保证了系统的正常运行。图７示出实现ＭＰＰＴ的软件流程。由于单片机与开关电源一起工作．相互间的电磁干扰较大．而Ａ／Ｄ采样要求精确．故需要使图７软件流程图用软件数字滤图中ｓｔｅｒ每次ＰＷＭ增加的步长波。这里采用ｉ＾１——ｉ与１异或均值滤波。即通过多次采样求平均值的方法，以达到去除干扰的目的。蓄电池采用循环充电方式。以１２Ｖ蓄电池为例，在充电电压达到１４．７Ｖ最高限制电压后．保持该电压继续充２—４小时达到饱和。最大充电电流不允许超过额定容量的２５％（如容量为１００Ａ时的蓄电池，最大充电电流为２５Ａ）。采用保险丝实现硬件电路的过流保护。图８示出软件保护示意图。采样蓄电池电压％美叫Ⅷ脚。监擞Ｔ。。邺∥美划强行关闭开关电源以保护蓄电池ＩＰＷＭ＝Ｏ：≮叫恤椰刚÷：吕黧。Ｔｏｏ。。ｗ，，图８软件保护示意图第４ｌ卷第２期２００７年２月电力电子技术ＰｏｗｅｒＶ０１．４１，Ｎｏ．２ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＦｅｂｒｕａｒｙ，２００７５实验结果与展望表ｌ给出了系统的主要组成部分及性能指标。图９反映了２００５年１２月２０Ｅｔ早上９点到下午４点的功率Ｐ。ＭＰＰＴ充电器的充电情况及最大功率点的变化情况。１２月２０日的天气变化较快．时而有阳光，时而多云，时而阴沉。最高ＭＰＰＴ可达到５０Ｗ．最小只有５Ｗ左右。这反映出太阳能电源输出功率的多变性。表１系统的主要组成部分及性能指标组件太阳能电池板（茂迪牌太阳能板）蓄电池（光盛牌铅酸蓄电池）性能指标最大输出功率９０ｗ；开路电压２０Ｖ：电池内阻小于Ｏ．１ｎ。电池容量１２０Ａｈ；‘输出电压１２Ｖ；最高充电电压１４．７Ｖ：最大充电电流３０Ａ；电池内阻小于１００ｍｎ：循环充电次数可达３００次以上。２路１０位Ａ／Ｄ采样电流和电压：１２５ｋＨｚ频率的ＰＷＭ控制ＭＯＳＦＥＴ；点阵式ＬＣＤ，１６ｘ２行显示。罐式变压器匝数比１：２．漏感小于２％；采用ＩＲ３２０５的ＭＯＳＦＥＴ；采用ＩＲ２１８４４的ＰＷＭ驱动芯片。源输出功率的多变性，并可以快速跟踪最大功率点，这对光伏系统的稳定高效工作起到了至关重要的作用。努力提高系统的效率和可靠性．进一步改进ＭＰＰＴ算法，则是下一步研究的重点。图９某天最大功率点随时间的变化图参考文献［１】ＲｉｃｈａｒｄＡＣｕｌｌｅｎ．ＷｈａｔｉｓＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇａｎｄＨｏｗＤｏｅｓｉｔａｌ，Ｉｎｃ．２００２．Ｗｏｒｋ？［Ｍ］．ＢｌｕｅＳｋｙＥｎｅｒｇｙ，ＵｓｅＭａｎｕ－微控制器ＭＣ６８ＨＣ９０８ＳＲｌ２［２】赵慧．基于太阳能电动车充电控制系统的研究［Ｄ】．广东工业大学［硕士学位论文］．２００５．反激式开关电源（自制）【３］张占松．蔡宣三．开关电源的原理与设计（修订版）【Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．经测试，该ＭＰＰＴ充电系统反映出了太阳能电‘‘照明电子技术＂专辑征文启事验，国外相关情况和发展趋势。欢迎照明电子产品生产企业和研究机构的专家学者踊跃投稿。专题的征文范围包括：（８）太阳能电池供电照明电子照明的质量和水平，已成为衡量一个国家社会现代化程度的重要标志之一。照明用电约占我国发电量的１３％。绿色照明工程技术。（９）新型照明电子技术的系统应用和节能分析。欲投稿的作者请在２００７年５月３０目前将论文寄到本刊编辑部是“十一五”期间国家组织实施的１（１）用于电力电子电路仿真研究的高压气体放电灯、低压气体放电灯、荧光灯、无极灯、场致发光光源、ＬＥＤ和辉光放电光源等的电路模型。Ｏ大重点节能工程之一，目的是推广应用高效照明产品，节约用电，保护环境，有益健康。照明电子技术已经深入到国民经济的各个领域，是实施绿色照明工程的关键技术之一，具有巨大的社会和经济效益。为促进照明电子技术话科研和生产。促进照明电子技术向生产力转化，本刊拟将《电力电子技术》杂志２００７年第１０期辟为“照明电子技术”专辑，以集中反映这一技术领域的最新科研成果，关键技术发展和创新，新装备、新产品的设计、生产和运行经９８（Ｅｍａｉｌ：ｄｌｄｚｊｓｔｇ＠ｌ６３．ｃｏｍ），并注明“照明电子技术专辑”字样。所投论文将按本刊常规评审程序请国内同行专塞评审。评审结果将于２００７年７月３０日前通知作者。本刊将请哈尔滨工业大学徐殿国教授为谵专辑的特邀主编，对该领域的研究及该专辑的论文进行分析与点评。（２）高压气体放电灯、荧光灯、低压气体放电灯、无极灯、场致发光光源、ＬＥＤ和辉光放电光源等的新型电子变压器、电子镇流器和控制电源。（３）网络化照明电子技术。（４）汽车照明电子技术。（５）新型显示照明电子技术（液晶面板背光源）。（６）应急照明电子技术。（７）城市美化照明电子技术。截稿日期：２００７年５月３０日。录用通知发出日期：２００７年７月３０日。论文刊登期号：２００７年第１Ｏ期（２００７年１０月２０日出版）。万方数据　基于MPPT的智能太阳能充电系统研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

卢琳， 殳国华， 张仕文， LU Lin， SHU Guo-hua， ZHANG Shi-wen上海交通大学,上海,200240电力电子技术

POWER ELECTRONICS2007,41(2)11次

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