基于有限電流誤差控制的太陽能充電器

劉志斌(國網晉城供電公司，山西晉城048000)

基于有限電流誤差控制的太陽能充電器

劉志斌
(國網晉城供電公司，山西晉城048000)

對用于最大功率跟蹤的充電器進行建模分析,選用buck電流變換器作為太陽能充電器的主電路給蓄電池充電，根據狀態空間平均的概念建立充電器的動態模型，通過應用極限環最大功率跟蹤(limit cycle max power trace，LCMPPT)方法對太陽能的最大功率點進行電流閉環跟蹤。該方法以電流閉環控制為基礎，結構簡單，所需要的外圍電路少。應用PI調節使系統具有良好的穩態精度和響應速度，并簡化了系統的外圍電路及控制方法。以PIC16F877A為控制器的實際電路的測試，證明了LCMPPT的有效性。

太陽能；動態模型；LCMPPT；充電

在化石能源短缺的今日，選擇太陽能作為替代能源是解決能源危機的有效途徑之一。由于受到太陽能輸出功率特性的影響，現有的太陽能應用系統效率低下、成本較高。為了提升整體系統的效率，必須跟蹤太陽能的最大功率點(MPP)，常規的方法都是在擾動觀察法基礎上改良而來，這些方法就理論推導是完美的，但是當傳感器無法達到精密的測量時，其誤差是不可避免的，有時可能產生錯誤跟蹤[1]。本文對用于最大功率跟蹤的充電器進行建模分析，通過合理的設計閉環系統PI調節器的參數，提高了系統對輸入信號的響應速度及穩定性，在此基礎上應用極限環最大功率跟蹤(limit cycle max power trace，LCMPPT)方法達到對太陽能最大功率點的跟蹤。

圖1　太陽能充電器控制原理

圖2　功率跟蹤工作原理

1 太陽能充電器的主電路及控制原理

如圖1所示，本系統由太陽電池組、buck電路、電流傳感器、鉛酸蓄電池、控制器組成，整個系統只用了一個電流傳感器，簡化了外圍電路，并且控制方法簡單。通過最大電流誤差的控制實現對系統的最大功率進行跟蹤，控制器工作原理如圖2所示。當充電器開始工作時MUX的輸入端接+Tiu，Iref開始慢慢增加，當太陽電池組輸出功率Ps小于其實際最大功率時，Ibat也隨著Iref開始增加，并且在一個PI控制周期中可以保持不變。但是由于太陽電池組的最大功率點不穩定，當其輸出功率達到最大時，Ibat不能保持其最大值并且開始減小，而Iref繼續增加，很快ΔIe的值大于ΔIlimit，此時MUX接入－Tid端，Iref開始減小，而Ibat逐漸停止減小然后又開始上升，直至達到新的最大功率點。因此整個系統始終工作在最大功率點附近并且在一個可控的誤差范圍內，這種功率跟蹤的方法就是LCMPPT[2]。

圖3　太陽能充電器閉環系統控制模型

2 buck充電器的建模分析及參數設計

2.1控制器建模

在本文中buck電路主要作為電流變換的控制器，根據圖1中開關器件S1導通、關斷的電路分析，可得如下的狀態方程式：

由狀態空間平均法，結合式(1)與式(2)，可得：

式中：D為開關器件導通時的占空比；D'為開關器件關斷時的占空比。

考慮電路在操作點附近有擾動現象發生，則：

將瞬時值帶入式(3)得：

從而可得充電器的小信號方程：

由于蓄電池本身是一個電壓源，buck電路輸出電壓在一個PI調節周期內可以認為是一個常量，令另外考慮到簡化后系統小信號模型：

對式(7)進行拉普拉斯變換(Laplace transform)：

由式(8)可得輸入對輸出的傳遞函數：

通過推導電路中各個環節傳遞函數，結合圖1可得充電器閉環系統的控制模型，如圖3所示。

在圖3中：Gid(s)及Giv(s)分別表示式(9)、式(10)推導的傳遞函數；Gpi(s)=Kp+Ki/s表示所欲設計的PI調節器；Gpwm(s)表示由誤差信號產生占空比的傳遞函數，由控制器給出這里設為1；Iref(s)表示輸入信號的擾動；VI(s)表示太陽電池組的輸入擾動。

由圖1可知太陽電池組的輸出端接有大電容，因此電池端電壓擾動響應時間遠大于占空比的擾動，令太陽電池電壓擾動為零，可得充電器輸出電流Ibat(s)對參考電流Iref(s)的閉環傳遞函數：

2.2參數分析設計

如圖1所示，蓄電池電流Ibat由閉環控制且跟蹤參考電流的輸入。當太陽電池板的輸出功率Ps小于其實際的最大功率PMPP時，為了達到滿意的跟蹤效果，控制器的響應時間常數TGS必須小于參考電流的積分時間常數Tiu；如果TGS大于Tiu，則在一個PI控制周期內蓄電池電流Ibat跟蹤不上參考電流上升的速度，當它們差值達到ΔIlimit時，充電電流Ibat開始減小，此時還未達到最大功率點，功率跟蹤失效。

由于蓄電池的最大功率不穩定,一旦達到最大功率點時，制器輸出功率可能大于太陽電池板的實際功率Ps，此時電中儲存的能量開始釋放，Ibat開始減小，Iref必須選擇合理的積時間常數－Tid且遠小于TGS，否則由于Iref減小的速度比Ibat慢，由于PI的關系占空比D將很快達到1，太陽電池板直接與蓄電池相連，最大功率跟蹤失效。

綜合以上分析，應用LCMPPT跟蹤太陽能的最大功率必須滿足：

為了達到良好的跟蹤效果，一般取Tiu＆gt;100Tid，這樣當光照、溫度等外部因素變化較快時，充電器依然能工作在最大功率點附近，通過控制ΔIlimit，可以調整LCMPPT的跟蹤效率。另外充電控制系統容易受到外部光照、溫度等環境的擾動，綜合考慮系統的快速性及穩定性，對于閉環傳遞函數，設計其阻尼比ε=1，此時系統的單位階躍響應為臨界阻尼狀態。

控制器的響應時間常數為：

可知：

3 實驗結構分析

在本實驗中所選太陽電池組參數如表1表示，蓄電池為24 V、65 Ah的鉛酸蓄電池。

????????????? V /V I/A 　V 44 　4.75 　34.8 　4.35 　175 /V I/A P/W

根據以上推導，如果選擇KP=0.1，L=1 mH，以最大功率點時太陽電池板輸出電壓計算控制器的響應時間常數為：TGS= 1.15 ms。但是當太陽電池板光照有所減弱時，其最大功率點電壓小于VMPP點電壓，相應的充電器的響應時間TGS變長，從而選擇TGS=2 ms。由式(15)可知KI=0.05，滿足式(12)則可選擇Tiu=100 ms，Tid=0.5 ms。

實驗中所用到的控制芯片采用低功耗的PIC16F877A，內帶12位的AD轉換，電流傳感器的最大電流采樣值可達10 A，LCMPPT最大功率跟蹤的控制流程如圖4所示。

圖4　最大功率跟蹤控制流程

在程序中必須合理選擇PI調節時間，PI調節時間應大于buck充電器的響應時間，否則系統還沒達到溫度其占空比又改變，因此積分周期最好選擇充電器的響應時間附近選取，這樣系統能有較快的響應速度。實驗結果如圖5所示，在電流波形中每5 V表示實際電流值2 A，即圖中1格表示的實際充電電流為2 A，在實驗中將穩定工作時的最大功率點設置在4 A左右，當光照強度發生變化時充電器能快速響應。

圖5　　實驗波形

4 結論

本文在建立太陽能充電器動態模型的基礎上，重點研究了LCMPPT算法，該方法以電流閉環控制為基礎，結構簡單，所需要的外圍電路少，應用PI調節使系統具有良好的穩定性。通過實驗證明了該方法的可行性。

[1]吳財福，張健軒，陳裕愷，等.太陽能光伏并網及照明系統[M].北京：科學出版社，2009：20-40.

[2]MATSUI M,KOH K.A solar battery charging module by means of limit-cycle MPPT control[C]//Proceedings of the 7th International Conference on Power Electronics.Daegu,Korea:the 7th International Conference on Power Electronics,2007:22-26.

Solar powered battery charger based on limited current error signal control

LIU Zhi-bin
(Jincheng Power Supply Company of the State Grid,Jincheng Shanxi 048000,China)

A buck current converter was used to control the output power of the PV panel and the charging current for the battery.The dynamic model of the charger was established according to the concept of state space averaging. Application LCMPPT was used to trace the maximum power point of solar energy base on dynamic model.The system had good steady precision,response speed and the control method and peripheral circuits of system were also simplified.A practical circuit was successfully implemented on PIC16F877A.The experimental result shows the feasibility of this solar charger.

solar energy;dynamic model;LCMPPT;charge

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0144-03

2015-06-03

劉志斌(1967—)，男，山西省人，助理工程師，主要研究方向為新能源發電。