儲能設備獲最大功率的改進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題，給出了改進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，利用擾動觀察法，通過控制數字電位器來間接調節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的情況下，可使得儲能設備獲得最大功率。經過仿真驗證，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。
關鍵詞：光伏系統；MPPT變換器；MSP430F1611；擾動觀察法

0 引言
太陽能是一種潔凈、無污染且很有發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點。作為一種新型能源，太陽能已經引起越來越多國家的關注和研究。光伏發電的成本在全球產能提高的同時不斷減少，預計到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光的利用率不高，因此，如何高效利用太陽能給儲能設備充電具有很高的研究價值。
在光伏系統中，通過最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術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。但在實現MPPT的過程中，人們往往忽略了一個問題，即當光伏電池輸出最大功率時，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比時，儲能設備才能獲
得最大功率。在實際應用中，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。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，然后逐漸減小。在實際情況下，光伏電池的伏安與功率曲線會隨著光照強度以及外界溫度的不同而發生變化，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，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變換器的硬件實現原理圖，其核心是利用BUCK轉換器來實現這一功能。最大功率點跟蹤算法本質上是阻抗匹配，即當負載的阻抗等于光伏電池的阻抗時，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直流電源和一個可變電阻的串聯電路。其中可變電阻的阻值會受到光照強度、溫度等影響而發生變化，通過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為功率開關管的占空比；Ro為實際負載阻抗。當BUCK轉換器的負載Ro一定時，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載，進而改變光伏電池的工作點和輸出功率，找到最大功率點，實現光伏系統的最大功率。實現這一方案(最大功率點跟蹤器)的方法有很多，但都非常復雜，尤其是在衛星等任務關鍵型系統中。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現算法
光伏系統中最大功率點的跟蹤方法有很多種，比如恒壓跟蹤法(CVT)、擾動觀察法(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。由于擾動觀察法易于實現，成本較低，是最常用的方法，因此本文基于擾動觀察法來實現儲能設備最大功率的獲得。
擾動觀察法基于以下標準：通過改變等效負載的阻抗變化來使得光伏電池工作電壓向某一方向擾動，經檢測，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向著最大功率點的方向移動，即之前的擾動方向正確，因此，光伏電池的工作電壓必須進一步向原來的方向擾動。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向遠離最大功率點的方向擾動，此時的光伏電池工作電壓必須向反方向擾動。