儲能設備獲最大功率的改進(jìn)型光伏充電系統設計

摘要：針對光伏充電系統中能量利用率不高的問(wèn)題，給出了改進(jìn)型光伏充電系統的硬件及軟件系統的設計方法。該系統基于低功耗單片機MSP430F1611，利用擾動(dòng)觀(guān)察法，通過(guò)控制數字電位器來(lái)間接調節M(mǎn)PPT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，可使得儲能設備獲得最大功率。經(jīng)過(guò)仿真驗證，該方法可以達到預期的效果，儲能設備在同等條件下能獲得更多的電能。
關(guān)鍵詞：光伏系統；MPPT變換器；MSP430F1611；擾動(dòng)觀(guān)察法

0 引言
太陽(yáng)能是一種潔凈、無(wú)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(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。作為一種新型能源，太陽(yáng)能已經(jīng)引起越來(lái)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，預計到2050年，由太陽(yáng)能提供的能源將占到全球能源的11％左右，因此，對太陽(yáng)能的利用及環(huán)境的改善都有十分重要的意義。由于現有的光伏電池對太陽(yáng)光的利用率不高，因此，如何高效利用太陽(yáng)能給儲能設備充電具有很高的研究?jì)r(jià)值。
在光伏系統中，通過(guò)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MPPT的過(guò)程中，人們往往忽略了一個(gè)問(wèn)題，即當光伏電池輸出最大功率時(shí)，我們期望的儲能設備是否獲得了最大功率。儲能設備最大功率的獲得一定要結合MPPT變換器的效率，只有當光伏電池輸出功率和MPPT變換器的效率達到最優(yōu)比時(shí)，儲能設備才能獲
得最大功率。在實(shí)際應用中，人們往往期望儲能設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(xiàn)。從圖1中光伏電池的V-I(電壓-電流)曲線(xiàn)可以看出，隨著(zhù)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(xiàn)會(huì )隨著(zhù)光照強度以及外界溫度的不同而發(fā)生變化，為了充分利用太陽(yáng)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)現原理圖，其核心是利用BUCK轉換器來(lái)實(shí)現這一功能。最大功率點(diǎn)跟蹤算法本質(zhì)上是阻抗匹配，即當負載的阻抗等于光伏電池的阻抗時(shí)，負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(xiàn)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 )受到光照強度、溫度等影響而發(fā)生變化，通過(guò)BUCK轉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(kāi)關(guān)管的占空比；Ro為實(shí)際負載阻抗。當BUCK轉換器的負載Ro一定時(shí)，通過(guò)改變占空比D，就可以改變Uin，從而改變光伏電池的等效負載，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)現光伏系統的最大功率。實(shí)現這一方案(最大功率點(diǎn)跟蹤器)的方法有很多，但都非常復雜，尤其是在衛星等任務(wù)關(guān)鍵型系統中。然而在很多小型應用中，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 獲得儲能設備最大功率的實(shí)現算法
光伏系統中最大功率點(diǎn)的跟蹤方法有很多種，比如恒壓跟蹤法(CVT)、擾動(dòng)觀(guān)察法(PO)以及增量電導法(INC)等。這些算法的目標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備最終獲得最大功率，因此，還要考慮MPPT變換器的效率問(wèn)題。在本文中，MPPT變換器的效率特指BUCK轉換器的效率。由于擾動(dòng)觀(guān)察法易于實(shí)現，成本較低，是最常用的方法，因此本文基于擾動(dòng)觀(guān)察法來(lái)實(shí)現儲能設備最大功率的獲得。
擾動(dòng)觀(guān)察法基于以下標準：通過(guò)改變等效負載的阻抗變化來(lái)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(zhù)光伏電池的工作點(diǎn)向著(zhù)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(lái)的方向擾動(dòng)。否則，如果光伏電池的功率下降，則意味著(zhù)光伏電池的工作點(diǎn)向遠離最大功率點(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)。