第二十四讲: PEK-120模块之PV充电器

经过前几期对于PTS-800中基本的电路图拓扑结构的学习，我们已经掌握了基本的电路模型。从PEK-100系列开始，在固有电路拓扑基础上开始对电路的控制方式进行学习。本期将针对直流变换器PEK-120的控制方式以及与新能源中光伏发电结合探究最大功率点追踪技术的学习。

简 述：

　　下图所示为PV充电系统之三种工作模式，图(a)为MPPT模式，当PV模组电力不足供给负载或充电使用时，其不足部分将由蓄电池供给;图(b)为部分充电模式，当PV模组电力足够供给负载使用，且多余之电力还可对蓄电池进行充电，但所多余电力仍不足以最大充电电流对蓄电池充电，以上两种模式均操作于最大功率点。图(c)为MPPT偏移模式，当PV模组操作于最大功率点时，其总输出电力大于负载及蓄电池需求总和，为求电力平衡情况下，必须降低PV模组总输出电力，此时PV模组必须偏离其最大功率点以降低所产生之电力，来达到电力平衡。

　控制架构：

　　为实现上述工作模式，PV充电系统控制架构安排如下图所示，其采用双回路控制，外回路为充电控制回路，内回路包含MPPT控制回路与PV电压控制回路，其控制原理如下：

　　首先取样蓄电池电压(Vb)与蓄电池最大电压命令(Vb*)比较，其误差经由PI控制器与正向限制器后可得到充电电流命令(Ib*)，当蓄电池电压未达到最大电压命令时，此限制器用以设定最大充电电流;当蓄电池电压接近于最大电压命令时，控制器便进入线性区，使得充电电流命令减少，最终将达到电池最大电压命令准位且使充电电流仅提供电池本身之消耗。此方法可达到定电流充电、定电压充电及浮充等三阶段充电之目的来增长电池寿命。

　　由PI电压控制器产生之充电电流命令(Ib*)与蓄电池电流(Ib)比较，当Ib>Ib*时，其误差经由PI控制器与正向为零之限制器后产生一电压命令(VL)，此电压命令(VL)将会影响其最大功率点，使得最大功率点偏向右半面曲线，提升PV模组输出电压，最终使PV模组所产生输出功率为负载和蓄电池需求总合，以达到电力平衡，此情形发生于MPPT偏移模式。反之，当Ib<ib*时，其误差经pi控制器和正向为零限制器后为零，因此充电回路便无法影响mppt所产生之电压命令(vp*)，即太阳能输出电压命令乃由mppt控制器决定，因此mppt模式和部分充电模式之pv模组均操作于最大功率点状态。< p="">

　　依据上述方法，本实验电池三阶段充电策略之设定如下，其中Ich,max乃根据电池形式及容量所设定之最大充电电流：

　　定电流区:Vb≤0.8Vb*

　　Ib*=Ich,max

　　定电压区:0.8Vb*<vb≤0.95vb*< p="">

　　Ib*=Ich,max~0.1Ich,max(视电池电压线性调整)

　　浮充区:0.95Vb*<vb≤vb*< p="">

　　Ib*=0.1Ich,max

　　结合PV控制器(MPPT采用P&O扰动观察法)与充电控制器之模拟电路下图所示，PV模组之最大功率点设定为Vmp=32V，Imp=3A，Pmp=96W。电池充电器之设定为Vb*=28V，电池电压为24V，当充电电流限制(Ib*)设定为5A时，由于在此设定下输出(Pch=24V*5A=120W)超过Pmp，系统将操作于输出将被限制在Pmp使PV模组操作于最大功率点，亦即前述之MPPT模式(如果有接上负载的话)亦或部分充电模式，模拟结果下图所示，系统确实操作于MPP点。电池电压为24V，当充电电流限制(Ib*)设定为3A时，由于在此设定下输出功率(Pch=24V*3A=72W)低于Pmp，系统之输出将由Pch决定，MPPT将产生偏移，亦即前述之MPPT偏移模式，模拟结果下图所示，MPP点确实偏移，且系统之输出由Pch决定。将输出之电池电压提高到28V，充电控制器将进入CV模式，使Ib*减少，MPPT将更加偏移，PV模组接近开路电压。

实验验证：

充电功率大于最大功率点：

充电功率小于最大功率点：

　总　结：

　　基于直流变换器的光伏充电是新能源光伏发电的必备课程，适用于本科及研究生阶段对光伏的学习与应用。固纬电子在点力电子教学方向致力于为老师减少压力，缓解学生的学习压力，因此开创了全新的理论与实践相结合的教学模式，还请各位老师同学进行了解转发。