Chinese Journal of Ship Research
基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电MPPT 技术
高佳俊1，李维波*1,2，李齐1，邹振杰2，卢月2
1武汉理工大学自动化学院，湖北武汉 430070 2西藏大学供氧研究院，西藏拉萨 850012
摘 要:［目的］为了提高移动式在线光伏充电装置的充电效率、安全性和速度，提出基于变步长扰动逼近法的移动式在线光伏充电最大功率点跟踪（ MPPT）技术。［方法］通过将高频逆变器与隔离变压器共同作为MPPT载体，去除传统光伏充电拓扑装置中的前级DC/DC结构，并将充电控制与高频逆变的脉冲调制相结合，最终将高频隔离、MPPT跟踪和充电控制三大功能集成一体。同时，根据蓄电池的不同剩余电量状态，提出三段式充电控制策略。［结果］仿真分析与现场测试结果表明，当改变光伏板的光照强度时，该装置可以稳定地跟踪光伏板的最大功率点，并按照设定的充电方案，在3个阶段下实现了对蓄电池的高效充电；实测的整体充电效率可以保持在92%以上。［结论］该装置和控制策略可以提高光伏板对蓄电池的充电效率，同时满足快速、安全充电的要求。
关键词：光伏；最大功率点跟踪(MPPT)；蓄电池；变步长；扰动逼近法
中图分类号: U665.13文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01948
0 引 言
随着科技的不断进步和对环保要求的不断提高，从化石能源转向可再生清洁能源已成为人们关注的焦点之一。对于移动平台而言，其最大的难题表现为：无法在短时间内将蓄电池充满；由于移动平台的空间尺寸约束，无法采用容量太大的蓄电池，这将导致单次充电的储能过少，故其有效使用时间较短[1-3]。然而，如果把思路聚焦到太阳能上，对于周身在较强光照环境下的移动平台而言，采用光伏作为蓄电池的充电能量来源，既可实现蓄电池“边用边充”的在线充电效果，又可兼顾节能环保要求。
目前，移动平台的光伏充电器有2 种主流形式，一种是非隔离型，另一种是隔离型[4-6]。非隔离型的光伏充电器一般采用2 级 DC/DC 变换器的主拓扑结构，其中前级DC/DC变换器用于最大功率点跟踪（ maximum power point tracking，MPPT）、后级 DC/DC 变换器则用于充电控制。这种方案的优点是2级结构设计简单、独立运行且协调控制，但是由于该方案中光伏板和蓄电池之间没有隔离，所以共模干扰的问题较严重，且在外部环境比较恶劣时的干扰更为突出，这将明显影响其充电效能。而市面上主流的隔离型光伏充电器分为 2种，一种采用工频变压器，另一种则采用高频变压器。由于移动平台对设备尺寸的约束要求很严格，所以工频隔离方式并不适用。目前，移动平台大多采用高频隔离型充电拓扑，即“光伏板—BOOST电路—高频逆变—高频变压器—高
频整流—DC/DC—蓄电池”的经典拓扑。其中BOOST电路用于执行MPPT算法跟踪任务，高频逆变高频变压器旨在解决隔离问题，而DC/DC 变换器则用于实现充电控制。该拓扑结构的优点是在兼顾 MPPT控制和充电控制的同时，减少外界环境的干扰，尤其是光照条件变化的不良影响。不过，如果该拓扑的级数太多，则将限制其变换效率[7-9]。
为了解决光伏板和蓄电池之间的电气隔离问题，以及系统的变换效率限制问题，本文拟提出一种采用高频逆变器与隔离变压器共同作为MPPT载体的移动光伏充电拓扑。通过借助变步长扰动逼近法进行MPPT算法跟踪，同时将高频整流和后级 DC/DC变换器合并，将充电控制与高频逆变的脉冲调制相结合，最终将高频隔离、MPPT跟踪和充电控制三大功能集成一体。该方案既继承了高频隔离拓扑的优势，又减少了变换级数，可以最大限度地提高在线充电装置的转换效率。
1移动光伏充电装置的主拓扑
图 1所示为在线光伏充电装置的主拓扑，主要由光伏板、直流与缓启动、高频逆变器、高频变压器、高频整流器、输出滤波、蓄电池和主控板组成，其中主控板由数字输入（digital input，DI）电路、数字输出（digital output，DO）电路、输入模
拟信号采集电路1、输出模拟信号采集电路2、环
境信号采集电路、驱动模块和通信模块等组成。
图 1 中：Uin 为高频逆变器的输入电压，即光伏板的输出电压；UN为高频逆变器的输出电压；
n为高频变压器的匝数比；Ub为高频变压器的输出电压；Uout为高频整流器的输出电压，即加载在
蓄电池两端的充电电压。此外，DI电路的作用是
输入启、停信号；DO电路的作用是输出缓启动信号；输入模拟信号采集电路1的作用是采集高频逆变器的输入电压和电流，即光伏板的输出电压和电流；输出模拟信号采集电路2的作用是采集蓄电池的充电电压和电流；环境信号采集电路的作用是采集功率模块的温度、工作环境的湿度；驱动模块的作用是连接功率模块，以控制高频逆变器中 IGBT 晶体管的闭合和断开；通信模块的作用是经由CAN通信来连接上位机界面。
2变步长扰动逼近法MPPT 策略
2.1光伏板的输出特性曲线
本文以某块 650 W的光伏板作为研究对象，开展仿真及工程验证。图2所示为光伏板在不同温度和光照条件下的I-U 输出曲线和P-U 输出曲线，其中 I，U，P 分别为光伏板的输出电流、输出电压、输出功率。图2（a）为光照强度 Ir=1 kW/m2
时，不同温度条件下的输出曲线；图2（b）为温度T=25 ℃时，不同光照强度条件下的输出曲线。由图 2 可知，I-U 输出曲线存在一个拐点；而P-U输
出曲线是存在一个单峰值的非线性曲线，其峰值即光伏板的最大功率点。当光照强度Ir=1 kW/m2
时，随着温度的增加，光伏板的输出电压和输出功率均有所下降；当温度T=25 ℃时，随着光照强度的增加，光伏板的输出电流和输出功率均相应升高。
2.2变步长扰动逼近法MPPT 理论
本文所采用的高频逆变器为方波逆变，其与隔离变压器共同作为MPPT 载体，其输入/输出电压满足以下条件：
Uin D = UN
×
UN n = Ub
×
Ub k = Uout (1)
×
式中：D为高频逆变器的占空比；k为方波不控整流的变换系数。将式（1）进行简化，则光伏板输出电压与蓄电池两端充电电压的关系为
Uout = Uin × D × n ×k (2)由式（2）可知，当高频变压器的匝数比n 为固定值时，蓄电池的充电电压Uout 取决于光伏板输出电压 Uin 和高频逆变器占空比D。当太阳光强
的变化较小时，如需提高充电电压Uout，则应增加高频逆变器的占空比D；反之，如需降低充电电压Uout，则应减小占空比D。由此可见，为了增加
光伏板的利用率以及蓄电池的充电速度，只需通过控制高频逆变器的占空比D，即可确保充电系统尽可能工作在最大功率点，从而实现MPPT算法跟踪。
目前，常用的MPPT算法包括恒定电压跟踪法、短路电流比例系数法、电导增量法和扰动观察法[10]。前2种方法为开环控制，即根据光伏板在标准测试环境下的曲线，控制充电电压达到一个恒定值，该类算法运行简单、成本较低，但在外部环境实时改变的移动平台上，无法实现光伏板最大功率点的有效跟踪。后2种方法为闭环控
制，其中电导增量法需时刻计算功率值的导数，所以算法偏复杂，计算速度较慢；而扰动逼近法可以有效地跟踪光伏板的最大功率点，其运行相对简单、成本也比较低[11-13]。
因此，本文将采用基于变步长的扰动逼近式MPPT算法，其基本原理是：通过观察光伏板的输出功率及电压变化，来调节高频逆变器的占空比，进而改变充电电压Uout，最终实现最大功率点的跟踪功能。图3所示为基于变步长扰动逼近式 MPPT 算法的流程，其中：Dt和 Dt−1 分别为当前时刻和前一时刻的占空比，Pt 和 Pt−1 分别为当前时刻和前一时刻的输入功率；Ut和 Ut−1 分别为当前时刻和前一时刻的输入电压。
如图3 所示，基于变步长扰动逼近式MPPT算法的主要流程为：
1） 首先，输入初始占空比D0和干扰步长ΔD。2） 然后，令 Dt−1=D0 ，Pt−1=0，并采集当前时刻的输入电压Ut 和输入电流It，进而计算输入功率Pt、功率变化 ΔP以及电压变化ΔU。
3） 最后，根据ΔP 和 ΔU的变化趋势，调整在线变步长扰动的逼近趋势，即调整光伏充电装置中高频逆变器占空比D的变化趋势。判定原则为：（1）当 ΔP>0 且 ΔU>0 时，应减小占空比D，令Dt=Dt−1−ΔD；（2）当 ΔP>0 且 ΔU<0 时，应增加占空比D ，令 Dt=Dt−1+ΔD；（ 3 ）当 ΔP<0 且 ΔU>0 时，应增加占空比D ， 令 Dt=Dt−1+ΔD ；（ 4 ） 当 ΔP<0 且ΔU<0时，应减小占空比D，令 Dt=Dt−1−ΔD。同时，令 Pt−1=Pt，Dt−1=Dt，即将本次循环中当前时刻的功率和占空比，赋值到下一个循环中，并作为下一个循环在前一时刻的功率和占空比。
3 蓄电池的充电控制策略
由于蓄电池电压将随着其剩余电量（ state of charge，SOC）的增加而增加，为了同时保证蓄电池充电的速度和安全性，可以通过采集蓄电池两端的电压、电流来判断蓄电池的SOC 情况[14]，即w
ibat dt SOC (t) = S OC (3) bat 0 + Cbat
式中：SOCbat(t)，SOC0 分别为蓄电池的当前电量和初始电量，其中SOC0 由蓄电池的自身属性和所
采集的初始电压决定；ibat 为蓄电池的充电电流；
t 为充电时间；Cbat为蓄电池的容量。
根据式（3），SOC 的估算流程如图4 所示，其中 SOCt 和 SOCt−1 分别为当前时刻和前一时刻蓄电池的剩余电量。首先，输入蓄电池容量Cbat，采集蓄电池的初始电压U0；然后，计算蓄电池的初始电量 SOC0 ，并令 SOCt−1=SOC0 ；最后，采集充电电流 ibat，根据式（2）计算当前 t时刻的蓄电池剩余电量 SOCt。
根据蓄电池的SOC情况，本文将采用三段式充电方法，即：MPPT最大功率充电阶段、恒压限流充电阶段和浮充电阶段，如图5所示。
1） MPPT最大功率充电阶段。在充电初期，蓄电池的剩余电量较少，将采用 MPPT最大功率的方式对蓄电池进行充电，从而使光伏板工作在最大功率点，以确保蓄电池的充电速度。为了在蓄电池容量接近充满时防止过充，应设置最低阈值SOCL，当 SOCt>SOCL 时，装置即可转入恒压限流充电阶段。
2） 恒压限流充电阶段。此时蓄电池已经基本充满，为了达到安全充电的目的，应通过降低高频逆变器的占空比来降低光伏板的功率，从而对蓄电池进行低电流充电，以有效避免蓄电池过充。为了防止蓄电池自身放电而导致电量下降，应设置最高阈值SOCH，当 SOCt>SOCH 时，装置随即转入浮充电阶段。
3） 浮充电阶段。此时蓄电池已经充满，应进一步降低高频逆变器的占空比，以再次降低光伏板的功率，仅以
图 7中：“光伏板输出曲线”模块为本文的输入测量，包括光伏板光照强度Ir、光伏板输出电流I_PV、光伏板输出电压V_PV、光伏板输出功率P_PV；“蓄电池状态”和“充电曲线”模块为本文的输出测量，包括蓄电池充电电流I_Battery、微弱的电流对蓄电池进行充电，从而使蓄电池电量始终保持在充满的状态。因此，该阶段也意味着整个充电过程的结束。
充电控制策略流程如图6所示。
4建模与仿真分析
为了验证本文提出的基于变步长扰动逼近法的 MPPT控制策略和蓄电池充电控制策略的可行性及有效性，根据在线光伏充电装置主拓扑（图1），采用 Matlab/simulink 仿真软件搭建移动光伏充电装置，其仿真模型如图7所示，关键性仿真参数如表 1所示。
蓄电池充电电压 V_Battery、蓄电池充电功率P_Battery、蓄电池剩余电量 SOC。
4.1 MPPT控制策略的仿真验证通过调节光伏板输入的光照强度，模拟现实
环境中的正常光照以及遮光环境，从而改变光伏板的最大功率点，随即观察光伏板的输出电压、
光伏板输出功率P_PV 和蓄电池充电功率P_Battery 的对比结果如图9 所示，根据仿真结果，在线充电装置在中间环节损耗的电能较小，光伏板可以实现对蓄电池的高效充电。
4.2 蓄电池充电策略的仿真验证
由于本文将高频逆变器与高频隔离变压器共同作为 MPPT 载体，所以 Simulink 的采样频率赋值较高。为了在短时间内模拟蓄电池的三段式充电过程，首先将蓄电池的容量减小到 0.01 Ah，同电流和功率以及蓄电池的充电电压、电流、功率和 SOC状态，即可验证基于变步长扰动逼近法的MPPT算法跟踪的准确性，其仿真结果如图8所示。
由图 8（a）可知，在 0~10 s 内，光伏板工作在标准光照条件下；第 10 s 时刻，突然降低光伏板的输入光照强度以模拟现实环境中的遮光情况；第 20 s时刻，恢复到标准光照强度。仿真结果表明：充电装置可以快速跟踪光伏板的最大功率点，从而让光伏板一直运行在最大功率状态对蓄电池进行充电；当光照强度降低时，光伏板的输出功率随之降低，蓄电池的充电速度也相应变慢。图9 光伏板输出功率和蓄电池输入功率的对比曲线
Fig. 9 Comparison curves between output power of photovoltaic panel and input power of battery
时在蓄电池充电策略仿真验证的第一阶段（即MPPT最大功率充电阶段）中，令光伏板的光照强度一直保持1 000 W/m2，其仿真结果如图 10所示。
由图 10 可知，在充电初期，在线充电装置采用 MPPT最大功率充电，即光伏板工作在最大功率点，此时蓄电池迅速充电，其蓄电池电压随着SOC的增加而增加。当蓄电池SOC 达到 SOCL
时，根据本文设计的蓄电池充电控制策略，装置进入第二充电阶段，即恒压限流充电阶段。虽然此时光伏板的光照强度依然为1 000 W/m2，但是
由于高频逆变器占空比的降低，使得光伏板功率随之降低，进而降低了蓄电池的充电电流，同时维持蓄电池的两端电压恒定。由于蓄电池内阻将随着 SOC的增加而增加，所以在恒压限流充电阶段的充电电流会缓慢下降。当蓄电池SOC 接近SOCH时，第二阶段结束，装置进入第三充电阶段，即浮充电阶段。此时高频逆变器占空比将进一步减小，使得光伏板功率再次降低，从而维持较低的蓄电池电流，以避免因蓄电池自身放电而导致的电量下降，进入此阶段也意味着整个充电过程的结束。
5工程化测试
根据在线光伏充电装置主拓扑（图1），研发了如图 11所示的实体样机。
为了验证基于变步长扰动逼近法的MPPT 算法跟踪的准确性以及其充电效率，本文对充电装置实物开展了现场测试工作，其在正常光照和遮光 2 种情况下的测试结果如图12 所示，各包含15组测试结果。图12 中：Iin 为光伏板的输出电
流；Vin 为光伏板的输出电压；Pin为光伏板的输出
功率；Iout 为蓄电池的充电电流；Vout为蓄电池的充
电电压；Pout为蓄电池的充电功率。
通过对比图12 的实测结果与图8 的仿真结果可知，虽然光伏板输出功率和蓄电池充电功率实测数据的波动相对较大，但仍然可以将误差保持在较小的范围内。现场测试结果表明，当光照条件发生变化时，该装置可以通过改变高频逆变器的占空比，从而实现MPPT算法跟踪的功能，其整体充电效率可以保持在92% 以上。
6 结 语
针对传统光伏充电装置的典型拓扑及其优缺点，本文构建了移动式在线光伏充电装置拓扑，通过将高频逆变器与高频隔离变压器共同作为MPPT载体，不但弥补了传统非隔离型光伏充电装置的电气隔离问题，还解决了传统隔离性光伏充电装置中级数多、效率受限等问题。基于此，本文提出了基于变步长扰动逼近法的MPPT 跟踪技术，仿真分析与现场测试结果表明，该在线光
伏充电装置可以准确地实现MPPT 算法跟踪，同时，由于采纳了三段式充电方案，还能确保蓄电池快速、安全地充电。然而，该方案目前尚处于车载平台运行阶段，下一步拟开展实船移动平台测试工作。
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