高效光伏充电器的研制

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1、第19卷第4期太阳能学报Vol.19,No.41998年10月ACTAENERGIAESOLARISSINICAOct.,1998a高效光伏充电器的研制曹仁贤(合肥工业大学能源研究所,合肥230009)文摘:报道了一种新设计的高效光伏充电器,它采用自寻优方式,使光伏阵列处于最佳工作状态,提高充电效率。关键词:光伏,充电,自寻优0引言在许多太阳能光伏利用系统中均采用蓄电池作为贮能元件,但太阳电池的输出特性与当时日照、太阳电池表面温度以及负载有关,且具有非线性特性,故蓄电池在充电过程中其端电压也在不断的变化。常规太阳电池充电电路

2、如图1所示。图1(a)为目前常用的充电电路,当太阳电池的开路电压高于蓄电池端电压时即对蓄电池充电,这种充电方式简单可靠,但存在如下问题:太阳电池和蓄电池的电压必须严格匹配,例如采用最大功率点电压为16.5V的太阳电池,则只能对12V规格的蓄电池充电,若对6V的蓄电池充电,则由于太阳电池的工作点已远离最佳工作点,尽管其充电电流有所增大,但充电的功率损失很大。如图2所示,对蓄电池充电时太阳电池的输出功率相当于图中apco矩形的面积;当蓄电池的端电压低于12V时(假设为9V),太阳电池的输出功率为bQdo矩形面积。显然,后者面积小

3、于前者,即太阳电池未能输出最大功率。图1[1]图1(b)所示电路采用斩波式恒压充电原理,将检测得到的蓄电池端电压,与给定的电压比较,若有误差则调整功率管的占空比,以稳定蓄电池两端的电压。这种充电方式虽然有了改进,但太阳电池的最大功率点受多种因素的影响,也难以保证太阳电池工作在最佳状态。a本文1997-05-23收到434太阳能学报19卷图2图31控制策略本文提出一种新型的充电控制器设计,其电路如图3所示。工作原理:将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P,然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大,若不在最大功率点运行

4、,则调整脉宽,调制输出占空比D,改变充电电流,再次进行实时采样,并作出是否改变占空比的判断,通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点。同时采用PWM调制方式,使充电电流成为脉冲电流,以减少蓄电池的极化,缩短充电时间。2硬件实现采用上述控制策略,关键在于乘法运算和寻优过程,采用微处理器可实现上述功能,其硬件结构如图4所示。68HC05B6是专门用于工业检测、控制的微处理器,具有8位模数转换和脉宽调制[3]输出功能,可十分方便地计算功率,电压工作范围很宽,功耗很低。采用霍尔传感器检测太阳电池的电压、电流及蓄电池电压,响

5、应速度为微秒级。主电路斩波功率管采用大功率场效应管IRFP150,为提高充电效率,采用多只功率管并联运行,每只管子的额定参数为100V、41A。续流二极管采用肖图4特基二极管MBR20100,该管具有通态压降低、开关速度高等特点。功率管的驱动电路采用TLP250,它集光电隔离和快速驱动为一体,可简化电路设计。3算法及软件编制当太阳电池所受的日照和环境温度不变时,电池的电流和输出功率的函数关系如图5所示,在太阳电池电流I等于IM时阵列的输出功率最大,若能得知P随I变化的确切函数关系,则可利用目标函数的一阶或二阶偏导数进行迭代,

6、求出功率P的最大值,但由于太阳电池的功率受多种因素的影响,在实际的控制系统中不可能得到确切的目标函数表达式,因此必须寻4期曹仁贤:高效光伏充电器的研制435图5图6[2]求一种直接的算法,本文采用黄金分割法。设阵列的短路电流为ISC,最大功率点PM处的电流为IM,则函数P(I)是区间[0,ISC]上的单峰函数。在实际的寻优过程中,I受占空比D的制约,图6所示为函数P(D)随占空比D的变化关系。当D=0时,太阳电池开路,输出功率为零;当D=1时,斩波功率管直通(类似于图1(a)的情形)。在寻优过程中我们并不知道P随D变化的确切

7、的数学表达式,设[a,b]为迭代区间,对应于占空比D,其最大区间为[0,1],即取区间的初值为[0,1],设Da和Db为迭代区间,E为误差值,x、y为迭代变量,根据黄金分割法得x=Da+0.382(Db-Da)(1)y=Da+0.618(Db-Da)(2)将上述x、y的值即占空比作为脉宽调制信号,驱动斩波管,通过电压、电流互感器检测后得到功率Px和Py,根据Px和Py的值作出如下判断:(a)若Px>Py,则说明最大功率点所对应的占空比D在区间[Da,y]内,令Db=y,y=x,x=Da+Db-y,Py=Px(b)若Px

8、,则说明最大功率点所对应的占空比D在区间[x,Db]内,令Da=x,x=y,y=Da+Db-x,Px=Py(c)若Px=Py,则说明最大功率点所对应的占空比D在区间[x,y]内,令Da=xDb=y再用黄金分割式(1)、(2)计算x、y并计算Px和Py,重复上述过程,直至误差值E>Db-Da