基于Cuk变换器的光伏脉冲充电系统

　　内容摘要：分析了Buck变换器和Boost变换器在离网型光伏发电系统最大功率点跟踪(MPPT)电路中的缺点，提出了一种基于Cuk变换器的蓄电池组脉冲充电电路，并分析了该电路的工作原理，整个系统采用PIC单片机进行控制。实验结果表明，该控制电路实现了对蓄电池的脉冲充电，与Buck变换器、Boost变换器相比，大大提高了整个系统的工作效率，为太阳能的高效利用提供了有效的解决方法。

　　关键词：变换器；光伏；脉冲充电

　　1 引言

　　随着全球对能源需求的不断增加，人们将目光转移到新型能源的开发和利用上，例如，风能、太阳能、潮汐能等可再生能源。太阳能发电作为具有广阔应用前景的绿色能源已经成为国内外学术界和工业界的研究热点，但太阳能发电存在着两个主要问题：①光伏电池的输出特性受外界环境影响很大，在温度和光照辐射强度变化时，其输出特性会发生较大变化；②光伏电池的转换效率低且价格昂贵，初期投入较大。因此，为了充分利用光伏组件产生的能量，通常在光伏组件与负载之间串联MPPT电路，从而实现最大功率输出。这里针对MPPT常采用的Buck和Boost电路的缺点，提出一种基于Cuk变换器的脉冲充电系统。

　　2 光伏电池输出特性

　　图1为光伏电池在不同辐射强度、温度下的P-U特性。可见，温度和光照强度等外部因素都会对光伏电池最大功率点(Ump，Imp)产生影响：输出电流与光照强度有关，而输出电压与温度有关。因此，必须在光伏电池与负载之间串联MPPI电路，当外部环境或负载变化时，使光伏电池均能工作在最大功率点附近，以提高光伏电池利用效率。

　　3 Buck，Boost变换器的缺点

　　MPPT电路通常采用Buck或Boost电路，采用一定控制方法，如：扰动观察法(爬山法)、恒定电压控制法、增量电导法、神经网络控制法、模糊控制法、短路电流法等。这些算法通常是将光伏电池的采样电流和采样电压送至单片机，经过处理，调节主电路中开关管的占空比，使外电路等效电阻始终等于光伏电池的内电阻，实现动态负载匹配，从而实现光伏电池的最大功率输出。系统结构图如图2所示。

    但这种Buck变换器或Boost变换器存在一定缺陷：在需要对蓄电池进行充电时，对于Buck变换器而言，光伏电池输出电压必须小于蓄电池的端电压，在光照强度很强时无法对蓄电池充电；对于Boost变换器而言，光伏电池输出电压必须大于蓄电池的端电压，在光照强度较弱时无法对蓄电池充电。针对Buck和Boost变换器的缺点，在此提出了一种基于Cuk变换器的光伏充电方式。

    4 Cuk变换器
    Cuk变换器的拓扑结构如图3所示。采用PIC16F877单片机控制VQ1的导通与关断，该单片机具有多达8个通道的10位A／D转换器。

    分析该电路的工作原理，由图1可知，光伏电池的输出功率受外部环境、温度和光强的影响，光伏电池最大功率点在某一电压范围[U1，U2]内，这也是恒压法的控制思路。
    将光伏电池的输出电压通过A／D采样电路送至PIC单片机，当输出电压达到最大功率点附近的某一电压U2时，主开关管VQ1导通，这时光伏电池和C1分别对L1，L2充电，C1和光伏电池的电压下降，当输出电压达到U1时，VQ1关断，电感将能量转移到蓄电池上，对其进行充电，与此同时，光伏电池对C1进行充电，将能量储存在C1上，此时C1两端电压上升，当达到U2时，VQ1再次导通，如此往复完成对蓄电池的充电。在光照较弱时，由于此时光伏电池先将能量储存在电容上，当电容电压达到最大功率点时，再将电能转移到蓄电池组上，即只要光伏电池产生电能，无论其电流多小都能对蓄电池进行充电，最大限度地提取了光伏电池中的电流。

5 程序流程图及实验结果
    控制器的主要任务是通过A／D采样判断光伏电池电压，并且监视锂电池组的充电状态，防止锂电池组过充，程序流程图如图4所示。

    光伏电池参数：最大功率183．3 W；短路电流5．38A；开路电压45．68V；蓄电池参数：将两个12V，65 Ah的铅酸蓄电池串联。光伏电池板的输出电压如图5a所示。通过与其串联的MPPT电路，使其输出电压在最大功率点附近波动。蓄电池的脉冲充电电流波形(采样的电流值是经过电流互感器采样得到的，电流互感器的输出端接相应电阻值的电阻就可以将电流信号转换成电压信号)如图5b所示，VQ1的PWM波信号如图5c所示。

    利用Buck，Boost及Cuk变换器对蓄电池进行MPPT脉冲充电。在光伏电池输出电压小于Buck变换器设置的输入电压或大于Boost变换器设置的输入电压时，Buck，Boost变换器均停止对蓄电池进行充电；Cuk变换器在这两情况都可以对蓄电池进行充电，由实验数据绘得在3种变换器下蓄电池充电电量波形如图6所示。可见，Cuk电路拓扑实现了对蓄电池的脉冲式充电，与Boost变换器、Buck变换器相比，极大地提高了光伏电池效率。脉冲式充电法是一种新型充电方法，它采用充电与放电结合的方式，在充电一段时间后增加一个放电瞬间，这样能减少析气的产生，从而解决快速充电过程中的极化问题。

    此过程还可以减小电池内阻、压力、温度，以及能量损耗，使电能更有效地转化为化学能储存起来。脉冲充电法符合蓄电池的电能接受特性，在蓄电池的充电接受能力下降时，增加放电脉冲来提高充电接受能力。因此，脉冲式充电法可在避免极化产生的同时对蓄电池进行高速充电。

    6 结论
    针对离网型光伏发电系统提出了一种PIC单片机控制采用Cuk变换器的蓄电池充电电路。由实验结果可见，该电路实现了对铅酸蓄电池的脉冲充电，提高了系统效率，即使在恶劣天气下，只要光伏电池有电流产生即可对蓄电池充电。

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