基于Cuk變換器的光伏脈沖充電系統

摘要：分析了Buck變換器和Boost變換器在離網型光伏發電系統最大功率點跟蹤(MPPT)電路中的缺點，提出了一種基于Cuk變換器的蓄電池組脈沖充電電路，并分析了該電路的工作原理，整個系統采用PIC單片機進行控制。實驗結果表明，該控制電路實現了對蓄電池的脈沖充電，與Buck變換器、Boost變換器相比，大大提高了整個系統的工作效率，為太陽能的高效利用提供了有效的解決方法。
關鍵詞：變換器；光伏；脈沖充電

1 引言
隨著全球對能源需求的不斷增加，人們將目光轉移到新型能源的開發和利用上，例如，風能、太陽能、潮汐能等可再生能源。太陽能發電作為具有廣闊應用前景的綠色能源已經成為國內外學術界和工業界的研究熱點，但太陽能發電存在著兩個主要問題：①光伏電池的輸出特性受外界環境影響很大，在溫度和光照輻射強度變化時，其輸出特性會發生較大變化；②光伏電池的轉換效率低且價格昂貴，初期投入較大。因此，為了充分利用光伏組件產生的能量，通常在光伏組件與負載之間串聯MPPT電路，從而實現最大功率輸出。這里針對MPPT常采用的Buck和Boost電路的缺點，提出一種基于Cuk變換器的脈沖充電系統。

2 光伏電池輸出特性
圖1為光伏電池在不同輻射強度、溫度下的P-U特性。可見，溫度和光照強度等外部因素都會對光伏電池最大功率點(Ump，Imp)產生影響：輸出電流與光照強度有關，而輸出電壓與溫度有關。因此，必須在光伏電池與負載之間串聯MPPI電路，當外部環境或負載變化時，使光伏電池均能工作在最大功率點附近，以提高光伏電池利用效率。

3 Buck，Boost變換器的缺點
MPPT電路通常采用Buck或Boost電路，采用一定控制方法，如：擾動觀察法(爬山法)、恒定電壓控制法、增量電導法、神經網絡控制法、模糊控制法、短路電流法等。這些算法通常是將光伏電池的采樣電流和采樣電壓送至單片機，經過處理，調節主電路中開關管的占空比，使外電路等效電阻始終等于光伏電池的內電阻，實現動態負載匹配，從而實現光伏電池的最大功率輸出。系統結構圖如圖2所示。

但這種Buck變換器或Boost變換器存在一定缺陷：在需要對蓄電池進行充電時，對于Buck變換器而言，光伏電池輸出電壓必須小于蓄電池的端電壓，在光照強度很強時無法對蓄電池充電；對于Boost變換器而言，光伏電池輸出電壓必須大于蓄電池的端電壓，在光照強度較弱時無法對蓄電池充電。針對Buck和Boost變換器的缺點，在此提出了一種基于Cuk變換器的光伏充電方式。