1 前言
能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著環(huán)境問(wèn)題日益突出，使得越來(lái)越多的國(guó)家把目光投向可再生能源。太陽(yáng)能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽(yáng)能電池在其工作過(guò)程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強(qiáng)度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負(fù)載之間的不匹配，從而不能使太陽(yáng)能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，就需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。
在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場(chǎng)上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因?yàn)镃VT法較為簡(jiǎn)單，制造相對(duì)也容易，但是此種控制技術(shù)帶來(lái)了較為嚴(yán)重的功率損失，相對(duì)于光伏電池價(jià)格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來(lái)，本文所設(shè)計(jì)控制器即是一種基于“電壓擾動(dòng)法”采用高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的小型光伏控制器，控制超級(jí)電容器充放電。
2 光伏電池的基本原理及其光伏特性
光伏電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，會(huì)在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生電流。該電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)接受的光強(qiáng)一定時(shí)，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強(qiáng)度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。
由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)溫度及標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化影響很大，其中光照強(qiáng)度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡(jiǎn)單的CVT控制技術(shù)是不能滿足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術(shù)更加適用。
3 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理及等效電路模型
3.1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理
超級(jí)電容器(Super-capacitor)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能器件，與常規(guī)電容器相比，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有充放電時(shí)間短，循環(huán)性能好，使用壽命長(zhǎng)，使用溫度范圍寬，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。因此，從某種意義上講，超級(jí)電容器有著傳統(tǒng)電容器和電池的雙重功能，彌補(bǔ)了兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)間的空白，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)存在雙電層和電極內(nèi)部。當(dāng)用直流電源為超級(jí)電容器單體充電時(shí)，電解質(zhì)中的正、負(fù)離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極／溶液”雙電層，用以貯存電荷。
1 前言
能源是人類社會(huì)存在和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著社會(huì)的發(fā)展，能源日漸減少，并伴隨著環(huán)境問(wèn)題日益突出，使得越來(lái)越多的國(guó)家把目光投向可再生能源。太陽(yáng)能作為重要能源之一，以其永不枯竭，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的發(fā)展。但是太陽(yáng)能電池在其工作過(guò)程中，由于受環(huán)境(主要包括日照強(qiáng)度，溫度)的影響，其輸出具有明顯的非線性特性，造成電池與負(fù)載之間的不匹配，從而不能使太陽(yáng)能最大效率地轉(zhuǎn)化為電能輸出。為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，就需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。
在光伏控制技術(shù)上，MPPT控制方法有很多種，目前市場(chǎng)上常用的是使用CVT(恒定電壓跟蹤)控制技術(shù)的控制器，因?yàn)镃VT法較為簡(jiǎn)單，制造相對(duì)也容易，但是此種控制技術(shù)帶來(lái)了較為嚴(yán)重的功率損失，相對(duì)于光伏電池價(jià)格的高昂以及電力電子技術(shù)的日益發(fā)展，顯得很不經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
因此各種具有MPPT功能的光伏控制器逐漸發(fā)展起來(lái)，本文所設(shè)計(jì)控制器即是一種基于“電壓擾動(dòng)法”采用高性能單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的小型光伏控制器，控制超級(jí)電容器充放電。
2 光伏電池的基本原理及其光伏特性
光伏電池是一種利用光生伏打效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)換為電能的器件，當(dāng)太陽(yáng)光照射到半導(dǎo)體P-N結(jié)時(shí)，會(huì)在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生光生電壓，接上負(fù)載，就會(huì)產(chǎn)生電流。該電流與光照強(qiáng)度成正比，當(dāng)接受的光強(qiáng)一定時(shí)，就可以將光伏電池看成是恒流源。光伏電池由于受外界環(huán)境(主要包括溫度，光照強(qiáng)度)的影響，使它的輸出具有明顯的非線性。
由圖1(a)和圖1(b)中光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)溫度及標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下的P-V特性可以看出，光伏電池的輸出特性受環(huán)境變化影響很大，其中光照強(qiáng)度主要影響光伏電池電流，而光伏電池電壓主要受溫度影響，因此簡(jiǎn)單的CVT控制技術(shù)是不能滿足光伏電池最大功率輸出要求的，從而使得MPPT控制技術(shù)更加適用。
3 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理及等效電路模型
3.1 超級(jí)電容器儲(chǔ)能原理
超級(jí)電容器(Super-capacitor)是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型儲(chǔ)能器件，與常規(guī)電容器相比，其容量可達(dá)法拉級(jí)甚至數(shù)千法拉。它兼有常規(guī)電容器功率密度大，普通電池能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，并且具有充放電時(shí)間短，循環(huán)性能好，使用壽命長(zhǎng)，使用溫度范圍寬，對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。因此，從某種意義上講，超級(jí)電容器有著傳統(tǒng)電容器和電池的雙重功能，彌補(bǔ)了兩個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)間的空白，因此具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>
超級(jí)電容器的能量?jī)?chǔ)存在雙電層和電極內(nèi)部。當(dāng)用直流電源為超級(jí)電容器單體充電時(shí)，電解質(zhì)中的正、負(fù)離子取向聚集到固體電極表面，形成“電極／溶液”雙電層，用以貯存電荷。
超級(jí)電容器作為大功率物理二次電源，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域用途十分廣泛。超級(jí)電容器與蓄電池并聯(lián)使用可以作為混合型電動(dòng)車的加速或啟動(dòng)電源；可以用作led/'' target=''_blank''>光電功能電子手表和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器等小型裝置的電源；在高壓變電站及開(kāi)關(guān)站中，超級(jí)電容器的使用保證了分閘能量供應(yīng)的絕對(duì)可靠，同時(shí)保留了傳統(tǒng)電容儲(chǔ)能式硅整流分合閘裝置的優(yōu)點(diǎn)；除此之外，超級(jí)電容器在光伏發(fā)電中的應(yīng)用也日益廣泛。本文利用超級(jí)電容器在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種控制超級(jí)電容器充放電的最大功率控制器。
由于超級(jí)電容器單體電壓較低，本設(shè)計(jì)選用了5個(gè)參數(shù)為2 400 F，2.7 F的超級(jí)電容器，將它們串聯(lián)起來(lái)作為儲(chǔ)能器件使用，電容量為480 F，工作電壓范圍為3.5～13.5 V，此時(shí)，超級(jí)電容器組件可儲(chǔ)能為：
最大可釋放的能量為：
由上面的計(jì)算可知，超級(jí)電容器的能量是依靠其電容值與其端電壓而得到的，與電容值成正比關(guān)系，與其端電壓的平方成正比關(guān)系。在超級(jí)電容器使用中，端電壓是隨著充放電而變化的。
3.2 超級(jí)電容器等效電路模型
等效電路模型對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)都很重要，工程用等效電路模型應(yīng)該能夠盡可能多的反映其_內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且模型中的參數(shù)應(yīng)容易測(cè)量。
最簡(jiǎn)單的超級(jí)電容器等效模型，是只有一個(gè)阻容單元構(gòu)成的RC模型，如圖2(a)所示，包括理想電容器C、等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs、等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp。等效串聯(lián)內(nèi)阻Rs表示超級(jí)電容器的總串聯(lián)內(nèi)阻，在充放電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能量損耗，一般以熱的形式表現(xiàn)，還會(huì)因阻抗壓降而使端電壓出現(xiàn)波動(dòng)，產(chǎn)生電壓紋波。等效并聯(lián)內(nèi)阻Rp反映7超級(jí)電容器總的漏電情況，一般只影響長(zhǎng)期儲(chǔ)能過(guò)程，也稱為漏電電阻。文獻(xiàn)[9]對(duì)超級(jí)電容器的自放電回路的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，長(zhǎng)達(dá)數(shù)十小時(shí)至上百小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于充放電時(shí)間常數(shù)。而且，在實(shí)際應(yīng)用中，超級(jí)電容器一般通過(guò)功率變換器與電源連接，并處于較快的和頻繁的充放電循環(huán)過(guò)程中，因此，Rp的影響可以忽略。因此，可以進(jìn)一步將超級(jí)電容器模型簡(jiǎn)化為理想電容器和等效串聯(lián)內(nèi)阻的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。
RC等效模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠較準(zhǔn)確地反映出超級(jí)電容器在充放電過(guò)程中的外在電氣特征，將器件并聯(lián)或串聯(lián)不會(huì)影響其特性。因此，超級(jí)電容器組的等效電路也可以近似為RC結(jié)構(gòu)，其等效串聯(lián)內(nèi)阻Rarray：
其中，Ns為串聯(lián)器件數(shù)，Np為并聯(lián)支路數(shù)。
3.3 超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)
在系統(tǒng)中，超級(jí)電容器具有兩大功能。首先，作為能量?jī)?chǔ)存裝置，在白天時(shí)儲(chǔ)存光伏電池提供的能量，在夜間或陰雨天光伏電池不能發(fā)電時(shí)向負(fù)載供電；其次，與光伏電池及控制器相配合，實(shí)現(xiàn)MPPT。
超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板，超級(jí)電容器，開(kāi)關(guān)，DC-DC變換器，放電回路及檢測(cè)控制電路幾部分組成。圖3為超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理框圖如圖3所示。
4 控制器主回路及其工作原理
4.1 MPPT控制方法
光伏電池最大功率點(diǎn)控制方法有很多種，如CVT(恒壓控制)，電壓擾動(dòng)法(也稱登山法)，導(dǎo)納增量法，二次插值法等，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用的是電壓擾動(dòng)法，此方法控制思路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤的控制，提高系統(tǒng)的利用率。
電壓擾動(dòng)法的原理是通過(guò)將本次光伏方陣的輸出功率和上次的相比較，來(lái)確定是增加還是減小光伏方陣工作電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT。如圖4所示，若△P>0，說(shuō)明光伏電池工作在峰值電壓左側(cè)，則需要繼續(xù)增大工作電壓，從左邊向最大功率點(diǎn)靠近；若△P<0，則說(shuō)明光伏電池工作在峰值電壓右側(cè)，需減小工作電壓，從右側(cè)向最大功率點(diǎn)靠近；若△P=0，則說(shuō)明光伏電池正處于最大功率點(diǎn)附近，于是保持工作電壓不變即可。
4.2 控制器主回路硬件的實(shí)現(xiàn)
圖5為控制器主回路及控制電路框圖，它采用脈寬調(diào)制的方法，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管Q的開(kāi)通狀態(tài)將光伏電池的直流信號(hào)變換成一個(gè)可變占空比的脈沖信號(hào)，從而改變光伏電池的等效負(fù)載，進(jìn)而達(dá)到MPPT功能。
圖中充電主回路采用的是BUCK型降壓電路，適合本試驗(yàn)用25 W光伏電池給13.5 V超級(jí)電容器組的獨(dú)立光伏系統(tǒng)。BUCK變換器的工作原理是通過(guò)斬波形式將平均輸出電壓降低，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓的目的，使其輸出電壓能夠保持在最大功率點(diǎn)的電壓處。工作過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管Q反復(fù)導(dǎo)通和截止，兩種不同狀態(tài)的切換，將光伏電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖形式的電壓，再經(jīng)過(guò)L，C濾波，形成直流電壓輸出。
采用降壓斬波電路作為MPPT控制的主回路，是考慮到降壓斬波電路容易控制，完全可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤功能。以本系統(tǒng)為例說(shuō)明：系統(tǒng)選用25 W光伏電池，最大功率點(diǎn)電壓為17.5 V。光伏電池電壓受光照及溫度的影響，即使是在惡劣的環(huán)境下S=200 W／m2，T=70℃，最大功率點(diǎn)電壓也為14.4 V，大于13.5 V的超級(jí)電容器組，因此完全能夠達(dá)到MPPT功能。
系統(tǒng)所用的單片機(jī)為Silicon公司生產(chǎn)的C8051F310單片機(jī)。C8051F310芯片是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)；全速，非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；真正10位200 kS／s的25通道單端／差分ADC；具有高精度可編程的24.5 MHz內(nèi)部振蕩器；16 kB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器，1 280 B片內(nèi)RAM；硬件實(shí)現(xiàn)的SMBUS／I2C，增強(qiáng)型SPI串行接口和增強(qiáng)型UART；4個(gè)通用的16位定時(shí)器；具有5個(gè)捕捉，比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器電池(PCA)，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)8位或16位脈寬調(diào)制功能；具有19個(gè)I／O端口(容許5 V輸入)；2.7～3.6 V的工作電壓，70％的指令執(zhí)行時(shí)間為一個(gè)或兩個(gè)系統(tǒng)時(shí)間周期，具有擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)，是一款功能強(qiáng)大，性價(jià)比高的芯片。
該控制器通過(guò)單片機(jī)A／D采樣通道將從主回路采樣到的光伏電池電壓，電流及超級(jí)電容器組端電壓，經(jīng)轉(zhuǎn)化采到單片機(jī)內(nèi)，并計(jì)算出光伏電池的輸出功率。然后根據(jù)MPPT控制方法，從單片機(jī)口輸出一個(gè)頻率約為24 kHz的PWM波，此脈沖波通過(guò)光耦TLP250來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，最終達(dá)到利用MPPT控制來(lái)給超級(jí)電容器充電。
該系統(tǒng)負(fù)載為大功率LED燈，超級(jí)電容器給LED燈供電。當(dāng)控制器檢測(cè)到晚上或天陰，即單片機(jī)給出控制信號(hào)，使超級(jí)電容器開(kāi)始放電，LED燈亮。因?yàn)長(zhǎng)ED燈在工作過(guò)程中要求工作電壓或電流恒定，因而，需要在超級(jí)電容器與負(fù)載之間設(shè)計(jì)穩(wěn)壓器或恒流器。該系統(tǒng)中選用了一種降壓芯片及一種恒流芯片，使LED燈工作在穩(wěn)定狀態(tài)。
超級(jí)電容器的放電問(wèn)題，理論上可以完全放電，但事實(shí)上會(huì)影響超級(jí)電容器的壽命，而且負(fù)載額定電壓對(duì)超級(jí)電容器的電壓也有一定的要求，因此還是要設(shè)計(jì)控制器的過(guò)充，過(guò)放功能。防止超級(jí)電容器過(guò)充，過(guò)放也是通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)超級(jí)電容器端電壓，看其是否超過(guò)了設(shè)計(jì)的限定值，如果超過(guò)了，則同樣通過(guò)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，控制充電回路及放電回路，達(dá)到防過(guò)充、防過(guò)放的目的。
從圖5中可以看到，二極管D1起到防反充的作用，即只有當(dāng)光伏電池電壓高于超級(jí)電容器端電壓時(shí)才能夠?qū)?，而?dāng)陰天或晚上時(shí)，光伏電池電壓低于超級(jí)電容器電壓時(shí)，防止超級(jí)電容器給光伏電池放電。
4.3 系統(tǒng)
軟件的實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)的軟件采用C語(yǔ)言編寫，通過(guò)JTAG口下載到單片機(jī)中。其中程序需要完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘，I／O口，A／D轉(zhuǎn)換，定時(shí)器T0，PCA及PWM的初始化，光伏電池電壓，電流，及超級(jí)電容器端電壓的采樣程序，光伏電池功率的計(jì)算，比較，以及MPPT的控制程序。單片機(jī)不斷地對(duì)采樣電壓、電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，調(diào)整PWM值，調(diào)節(jié)占空比，采用查詢的方式查詢系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，反復(fù)判斷系統(tǒng)是否達(dá)到了最大功率點(diǎn)。圖6為MPPT控制流程圖。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
實(shí)驗(yàn)器材：25 W光伏電池，13.5 V，480 F電容器組，初始電壓為4.7 V。用本文所設(shè)計(jì)的控制器對(duì)超級(jí)電容器充電和直接用光伏電池對(duì)超級(jí)電容器直充相比較。
表1為光伏電池直接給超級(jí)電容器充電，每隔10 min測(cè)量一次光伏電池電壓，可以看出光伏電池的輸出電壓不斷地上升，且數(shù)值和超級(jí)電容器端電壓相差不多，說(shuō)明超級(jí)電容器端電壓牽制了光伏電池的輸出電壓，導(dǎo)致光伏電池并不是以最大功率輸出，造成嚴(yán)重的功率損失。
表2為使用本文設(shè)計(jì)的控制器給超級(jí)電容器充電，每隔10 min測(cè)量一次光伏電池電壓，可以看出光伏電池端電壓幾乎保持不變，不隨超級(jí)電容器端電壓的上升而變化，說(shuō)明MPPT控制起了作用，達(dá)到了預(yù)期效果。
該系統(tǒng)中，光伏電池和超級(jí)電容器之間用降壓斬波器連接，超級(jí)電容器端電壓與光伏電池輸出電壓的比值近似等于降壓斬波器的占空比。
圖7為超級(jí)電容器端電壓為4.8 V和9.3 V時(shí)單片機(jī)發(fā)出的脈沖波形，結(jié)合表2中光伏電池端電壓，可看出占空比大小基本符合要求。
6 結(jié)語(yǔ)
實(shí)驗(yàn)證明，采用單片機(jī)C8051F310構(gòu)成的MPPT控制器能夠?qū)崿F(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，并具有體積小，價(jià)格低和接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而具有實(shí)用價(jià)值。