一种基于超级电容器储能的光伏控制器的实现

1 引  言

能源是人类社会存在和发展的重要物质基础，随着社会的发展，能源日渐减少，并伴随着环境问题日益突出，使得越来越多的国家把目光投向可再生能源。太阳能作为重要能源之一，以其永不枯竭，无污染等优点，正得到迅速的发展。但是太阳能电池在其工作过程中，由于受环境(主要包括日照强度，温度)的影响，其输出具有明显的非线性特性，造成电池与负载之间的不匹配，从而不能使太阳能最大效率地转化为电能输出。为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，就需要对光伏电池的最大功率点进行跟踪控制，即MPPT(MaximumPower Point Tracking)控制。

在光伏控制技术上，MPPT控制方法有很多种，目前市场上常用的是使用CVT(恒定电压跟踪)控制技术的控制器，因为CVT法较为简单，制造相对也容易，但是此种控制技术带来了较为严重的功率损失，相对于光伏电池价格的高昂以及电力电子技术的日益发展，显得很不经济实用。

因此各种具有MPPT功能的光伏控制器逐渐发展起来，本文所设计控制器即是一种基于“电压扰动法”采用高性能单片机实现的小型光伏控制器，控制超级电容器充放电。

2 光伏电池的基本原理及其光伏特性

光伏电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，会在P-N结两边产生光生电压，接上负载，就会产生电流。该电流与光照强度成正比，当接受的光强一定时，就可以将光伏电池看成是恒流源。光伏电池由于受外界环境(主要包括温度，光照强度)的影响，使它的输出具有明显的非线性。

由图1(a)和图1(b)中光伏电池在标准温度及标准光强下的P-V特性可以看出，光伏电池的输出特性受环境变化影响很大，其中光照强度主要影响光伏电池电流，而光伏电池电压主要受温度影响，因此简单的CVT控制技术是不能满足光伏电池最大功率输出要求的，从而使得MPPT控制技术更加适用。

3 超级电容器储能原理及等效电路模型

3.1 超级电容器储能原理

超级电容器(Super-capacitor)是近年来出现的一种新型储能器件，与常规电容器相比，其容量可达法拉级甚至数千法拉。它兼有常规电容器功率密度大，普通电池能量密度高的优点，并且具有充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，使用温度范围宽，对环境无污染等特点。因此，从某种意义上讲，超级电容器有着传统电容器和电池的双重功能，弥补了两个传统技术间的空白，因此具有很大的发展潜力。

超级电容器的能量储存在双电层和电极内部。当用直流电源为超级电容器单体充电时，电解质中的正、负离子取向聚集到固体电极表面，形成“电极／溶液”双电层，用以贮存电荷。

超级电容器作为大功率物理二次电源，在国民经济各领域用途十分广泛。超级电容器与蓄电池并联使用可以作为混合型电动车的加速或启动电源；可以用作光电功能电子手表和计算机存储器等小型装置的电源；在高压变电站及开关站中，超级电容器的使用保证了分闸能量供应的绝对可靠，同时保留了传统电容储能式硅整流分合闸装置的优点；除此之外，超级电容器在光伏发电中的应用也日益广泛。本文利用超级电容器在光伏系统中的应用，设计了一种控制超级电容器充放电的最大功率控制器。

由于超级电容器单体电压较低，本设计选用了5个参数为2 400 F，2.7 F的超级电容器，将它们串联起来作为储能器件使用，电容量为480 F，工作电压范围为3.5～13.5 V，此时，超级电容器组件可储能为：

最大可释放的能量为：

由上面的计算可知，超级电容器的能量是依靠其电容值与其端电压而得到的，与电容值成正比关系，与其端电压的平方成正比关系。在超级电容器使用中，端电压是随着充放电而变化的。

3.2 超级电容器等效电路模型

等效电路模型对超级电容器储能系统的分析和设计都很重要，工程用等效电路模型应该能够尽可能多的反映其_内部物理结构特点，而且模型中的参数应容易测量。[page]

最简单的超级电容器等效模型，是只有一个阻容单元构成的RC模型，如图2(a)所示，包括理想电容器C、等效串联内阻Rs、等效并联内阻Rp。等效串联内阻Rs表示超级电容器的总串联内阻，在充放电过程中会产生能量损耗，一般以热的形式表现，还会因阻抗压降而使端电压出现波动，产生电压纹波。等效并联内阻Rp反映7超级电容器总的漏电情况，一般只影响长期储能过程，也称为漏电电阻。文献[9]对超级电容器的自放电回路的时间常数进行了测试，长达数十小时至上百小时，远远高于充放电时间常数。而且，在实际应用中，超级电容器一般通过功率变换器与电源连接，并处于较快的和频繁的充放电循环过程中，因此，Rp的影响可以忽略。因此，可以进一步将超级电容器模型简化为理想电容器和等效串联内阻的串联结构，如图2(b)所示。

RC等效模型结构简单

其中，Ns为串联器件数，Np为并联支路数。

3.3 超级电容器储能系统

在系统中，超级电容器具有两大功能。首先，作为能量储存装置，在白天时储存光伏电池提供的能量，在夜间或阴雨天光伏电池不能发电时向负载供电；其次，与光伏电池及控制器相配合，实现MPPT。

超级电容器储能系统主要由太阳能电池板，超级电容器，开关，DC-DC变换器，放电回路及检测控制电路几部分组成。图3为超级电容器储能系统的原理框图如图3所示。

4.1 MPPT控制方法  

光伏电池最大功率点控制方法有很多种，如CVT(恒压控制)，电压扰动法(也称登山法)，导纳增量法，二次插值法等，各有优缺点。本设计采用的是电压扰动法，此方法控制思路简单，容易实现，可实现对最大功率点跟踪的控制，提高系统的利用率。

电压扰动法的原理是通过将本次光伏方阵的输出功率和上次的相比较，来确定是增加还是减小光伏方阵工作电压来实现MPPT。如图4所示，若 △P>0，说明光伏电池工作在峰值电压左侧，则需要继续增大工作电压，从左边向最大功率点靠近；若△P<0，则说明光伏电池工作在峰值电压右侧，需减小工作电压，从右侧向最大功率点靠近；若△P=0，则说明光伏电池正处于最大功率点附近，于是保持工作电压不变即可。

4.2 控制器主回路硬件的实现

图5为控制器主回路及控制电路框图，它采用脉宽调制的方法，通过控制开关管Q的开通状态将光伏电池的直流信号变换成一个可变占空比的脉冲信号，从而改变光伏电池的等效负载，进而达到MPPT功能。

图中充电主回路采用的是BUCK型降压电路，适合本试验用25 W光伏电池给13.5 V超级电容器组的独立光伏系统。BUCK变换器的工作原理是通过斩波形式将平均输出电压降低，通过调节占空比来达到调节光伏电池输出电压的目的，使其输出电压能够保持在最大功率点的电压处。工作过程中，开关管Q反复导通和截止，两种不同状态的切换，将光伏电池输出的直流电压转换为脉冲形式的电压，再经过L，C滤波，形成直流电压输出。

采用降压斩波电路作为MPPT控制的主回路，是考虑到降压斩波电路容易控制，完全可以实现最大功率跟踪功能。以本系统为例说明：系统选用25 W光伏电池，最大功率点电压为17.5 V。光伏电池电压受光照及温度的影响，即使是在恶劣的环境下S=200 W／m2，T=70℃，最大功率点电压也为14.4 V，大于13.5 V的超级电容器组，因此完全能够达到MPPT功能。[page]

系统所用的单片机为Silicon 公司生产的C8051F310单片机。C8051F310芯片是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP- 51内核(可达25 MIPS)；全速，非侵入式的在系统调试接口(片内)；真正10位200 kS／s的25通道单端／差分ADC；具有高精度可编程的24.5 MHz内部振荡器；16 kB可在系统编程的FLASH存储器，1 280 B片内RAM；硬件实现的SMBUS／I2C，增强型SPI串行接口和增强型UART；4个通用的16位定时器；具有5个捕捉，比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器／定时器电池(PCA)，每个模块都可以独立地实现8位或16位脉宽调制功能；具有19个I／O端口(容许5 V输入)；2.7～3.6 V的工作电压，70％的指令执行时间为一个或两个系统时间周期，具有扩展的中断系统，是一款功能强大，性价比高的芯片。

该控制器通过单片机A／D采样通道将从主回路采样到的光伏电池电压，电流及超级电容器组端电压，经转化采到单片机内，并计算出光伏电池的输出功率。然后根据MPPT控制方法，从单片机口输出一个频率约为24 kHz的PWM波，此脉冲波通过光耦TLP250来驱动开关管，最终达到利用MPPT控制来给超级电容器充电。

该系统负载为大功率LED灯，超级电容器给LED灯供电。当控制器检测到晚上或天阴，即单片机给出控制信号，使超级电容器开始放电，LED灯亮。因为LED灯在工作过程中要求工作电压或电流恒定，因而，需要在超级电容器与负载之间设计稳压器或恒流器。该系统中选用了一种降压芯片及一种恒流芯片，使LED灯工作在稳定状态。

超级电容器的放电问题，理论上可以完全放电，但事实上会影响超级电容器的寿命，而且负载额定电压对超级电容器的电压也有一定的要求，因此还是要设计控制器的过充，过放功能。防止超级电容器过充，过放也是通过单片机检测超级电容器端电压，看其是否超过了设计的限定值，如果超过了，则同样通过单片机发出控制信号，控制充电回路及放电回路，达到防过充、防过放的目的。

从图5中可以看到，二极管D1起到防反充的作用，即只有当光伏电池电压高于超级电容器端电压时才能够导通，而当阴天或晚上时，光伏电池电压低于超级电容器电压时，防止超级电容器给光伏电池放电。

4.3 系统软件的实现

该系统的软件采用C语言编写，通过JTAG口下载到单片机中。其中程序需要完成对系统时钟，I／O口，A／D转换，定时器T0，PCA及PWM的初始化，光伏电池电压，电流，及超级电容器端电压的采样程序，光伏电池功率的计算，比较，以及MPPT的控制程序。单片机不断地对采样电压、电流进行转换计算，调整PWM值，调节占空比，采用查询的方式查询系统的最大功率点，反复判断系统是否达到了最大功率点。图6为MPPT控制流程图。

表1为光伏电池直接给超级电容器充电，每隔10 min测量一次光伏电池电压，可以看出光伏电池的输出电压不断地上升，且数值和超级电容器端电压相差不多，说明超级电容器端电压牵制了光伏电池的输出电压，导致光伏电池并不是以最大功率输出，造成严重的功率损失。

图7为超级电容器端电压为4.8 V和9.3 V时单片机发出的脉冲波形，结合表2中光伏电池端电压，可看出占空比大小基本符合要求。

6 结语

实验证明，采用单片机C8051F310构成的MPPT控制器能够实现光伏电池的最大功率跟踪控制，并具有体积小，价格低和接线简单等优点，因而具有实用价值。