跨入21世纪后，常规能源匮乏以及化石能源对环境的破坏迫使人们大规模地开发和利用绿色新能源。在众多新能源中，太阳能以其储量丰富、分布广泛、清洁、经济、可用性强等优点得到了人类的大力发展。与太阳能电池相结合的充电技术正处于快速发展阶段, 且已经取得了很多研究成果^[1-4]。但是，如何选用更加合理的硬件拓扑结构与更加优越的MPPT(最大功率点跟踪)技术相结合以提高太阳能电池的利用效率，仍然是科研工作的研究目标。目前，在国内外对于光伏充电技术的研究中，多采用BUCK、BOOST电路作为主充电拓扑结构，且储能设备也多以蓄电池为主，考虑到蓄电池的充电特性，使得光伏充电系统难以实现充分利用太阳能电池为储能设备充电的目标。本设计的充电系统，每次充电的对象为端电压可能已经放电到0V超级电容器，充电电路在充电过程中既有充电初期的降压工作状态，也有充电后期的升压工作状态，因此，文献[5-7]所述的设计方案不能满足本设计的应用要求。

笔者根据高压输电线路污秽监测系统中光伏供电系统的具体要求，设计了一个为超级电容器充电的光伏充电系统，根据负载要求，要在短时间内为不同容量的超级电容器从端电压0 V充电到35 V。根据太阳能电池的输出端电压和充电过程中超级电容器端电压的关系，在选择充电电路结构时，采用了BUCK-BOOST电路结构，并运用新颖的加权变步长电压滞环扰动观察MPPT技术较准确地跟踪了太阳能电池的最大功率点，实现了对超级电容器阵列的快速充电。此外，超级电容器具有良好的快速充放电特性，且充放电速度对于超级电容器的寿命影响极小，因此，本设计充电过程中完全采用MPPT充电方式，当超级电容器充电到额定电压值时，采用浮充充电工作方式^[8-10]。

1 系统组成

设计的太阳能充电系统主要由太阳能电池、BUCK-BOOST开关变换电路、FPGA控制器、储能负载组成，系统组成框图如图 1所示。

实验选用的太阳能电池在25℃、AM(Air Mass)1.5、1 000 W/m²条件下测试，其参数信息为：开路电压22.41 V、短路电流0.62 A、峰值电压17.9 V、峰值电流0.56 A、最大功率12.1 W。由于在充电过程中超级电容器的端电压存在低于和高于太阳能电池输出电压的不同情况，本系统采用BUCK-BOOST型开关变换器作为充电主拓扑，可以满足整个充电过程的转换关系。控制器选用Altera公司推出的CycloneⅡEP2C8Q208C8N型号的FPGA控制器。FPGA具备的并行语句处理能力，可以提高控制系统的运行速度，此外，可以后期定制集成化，降低系统成本。储能设备选用具有高功率密度的超级电容器，根据不同的容量要求选用不同数量的阵列组合，本设计中分别为2F/40V和5F/40V的超级电容阵列。

2 系统控制 2.1 太阳能电池的MPPT技术

太阳能电池是一种非线性电源，在给定的外部环境下，随着端口电压的变化，太阳能电池的输出电流和输出功率都会出现非线性变化。MPPT技术就是要让太阳能电池在光照强度和环境温度同时变化的条件下，仍然能够稳定地工作在最大功率点处。从本质上讲，MPPT技术就是实现了使太阳能电池内阻与负载阻抗相等(即阻抗匹配)，各式各样的变换电路都是通过改变负载的等效阻抗来实现阻抗匹配。

BUCK-BOOST开关变换电路正常工作时，其输出电压V_o、输入电压V_i与占空比d之间满足下式:

$\frac{{{V_{\rm{o}}}}}{{{V_{\rm{i}}}}} = \frac{d}{{1 - d}}。$

(1)

变换电路的输入功率(即太阳能电池输出功率)为P_i，输出功率为P_o，转换效率为η，则有如下关系式：

$\frac{{{R_{\rm{i}}}}}{{{R_{\rm{L}}}}} = \frac{{\frac{{V_{\rm{i}}^2}}{{{P_{\rm{i}}}}}}}{{\frac{{V_{\rm{o}}^2}}{{{P_{\rm{o}}}}}}} = \eta \frac{{{{\left( {1 - d} \right)}^2}}}{{{d^2}}},$

(2)

其中，R_i为从变换电路输入端看进去的等效电阻，R_L为负载电阻。由公式(2)可得：

${R_{\rm{i}}} = \frac{{\eta {{\left( {1 - d} \right)}^2}{R_{\rm{L}}}}}{{{d^2}}}。$

(3)

由式(3)可以得出，通过改变占空比d的值，就可以实现对负载等效阻抗的变换，以达到阻抗匹配的目的。

2.2 MPPT的控制策略

扰动观察法是一种传统的MPPT技术，它以结构简单、测量参数较少、实现容易而被广泛应用。但是，扰动步长取值过大时，会在最大功率点附近过大震荡而引起能量浪费；扰动步长取值过小时，跟踪最大功率点的速度又会太慢。这就无法做到对跟踪精度与速度的兼顾。为了改善这种不足，观察如图 2所示太阳能电池的U-P曲线可以看出，在电压变化量ΔV不变的情况下距离最大功率点P_max越近，功率变化量ΔP越小。这是因为U-P曲线上离最大功率点越近处，曲线斜率的绝对值K越小，而最大功率点处的K就是零。利用这一曲线特性，可以将K引入扰动观察MPPT技术，作为固定步长的权值。此外，还可以进一步将U-P曲线分为：K大于0.2以及K小于0.2的两个部分，分别设定不同的固定步长。这样可以在距离最大功率点较远处以大步长快速接近最大功率点，距离最大功率点近到一定程度后改用小固定步长以加强到达最大功率点后的MPPT精准度。

本实验中超级电容器的初始电压值为零，与开关变换器输入端电压(即太阳能电池的输出电压)相差很大。滞环控制方式瞬态响应特性好，能及时调节开关通断时间，更为快速有效地控制整个电路，确保了MPPT技术稳定地工作。因此，采用电压滞环控制技术。

综合仿真和分析结果，本设计采用了加权变步长电压滞环扰动观察MPPT技术，即通过将开关变换电路输入端电压(即太阳能电池输出电压)设定为可变滞环值，让滞环整体进行扰动，观察太阳能电池输出功率的变化情况。同时，滞环电压的扰动步长是通过综合当前工作点对应权值以及相应曲线斜率下固定步长值后得出的。这种MPPT技术，更大限度地兼顾了速度与精度，使整个系统能够更加高效地完成充电任务。加权变步长电压滞环扰动观察MPPT技术流程图如图 3所示。

图 3中，V_C为超级电容器端电压；V_N为现态开关变换电路输入端电压(滞环上限)；I_N为现态开关变换电路输入电流；P_N为现态开关变换电路输入功率；P_N-1为前态开关变换电路输入功率；Δ为电压扰动步长；V_N+1为后态开关变换电路输入电压(滞环上限)；V_(N+1)-为后态开关变换电路输入电压(滞环下限)；V_W为滞环宽度；K_HLIMIT为设定的权值上限。

需要指出的是，在控制过程中，并不必关心开关占空比与当下开关变换器输入输出电压关系是否契合。其原因主要在于，如果占空比与电路输入输出电压关系相矛盾，则此时BUCK-BOOST开关变换电路就会无法正常工作，MPPT功能失效，表现为输出功率开始下降，那么控制器就要开始改变开关的通断时间以维持整个系统的最大功率输出，也就是说整个系统是具有自适应性的，它本身就不会允许占空比与电路输入输出电压关系相矛盾的情况发生^[11-15]。

2.3 基于FPGA的系统设计

图 4为本太阳能充电系统的数字控制部分原理图，由图可见，本系统控制部分由分频模块、A/D控制模块、逻辑矢量整型量转换模块、基于MPPT的PWM波生成模块组成。共计有外部输入端17个，外部输出端2个，CLKIN为系统时钟输入端，CLKOUT1~CLKOUT4为分频模块为A/D控制模块、逻辑矢量整型量转换模块、基于MPPT的PWM波生成模块、A/D转换器输出的时钟信号输出端；datain1~datain2为对太阳能电池的输出电压、输出电流数据的采样信号输入端，PWM为经过MPPT算法处理后输出的BUCK-BOOST变换器开关信号输出端。

3 仿真与实验验证 3.1 MPPT技术的仿真分析

本设计运用Matlab/Simulink完成仿真，仿真电路主要由太阳能电池模块、充电主电路、MPPT算法及控制电路、储能电容等组成，在离散模式下以100 kHz频率工作。

通过对固定大步长、固定小步长和加权变步长功率跟踪技术仿真分析可知，固定大步长功率跟踪在速度稍占优势的情况下，却极不精准，跟踪到最大功率点后，在其附近有很大的震荡，浪费了能量，如图 5(a)所示；固定小步长功率跟踪虽然在精准度方面有所改观，但是跟踪到最大功率点需要的时间长了许多，如图 5(b)所示。加权变步长功率跟踪技术能够同时达到快速跟踪最大功率点和精准地稳定在最大功率点的要求，跟踪曲线图如图 5(c)所示。为了体现本设计运用MPPT算法具有很好的瞬态响应特性，故仿真时天气条件采用突变方式，而没有采用与实际相符的渐变方式。

用最大功率12.1 W的太阳能电池板，为1F超级电容器从0 V至40 V充电，充电过程中超级电容器端电压的增长曲线如图 6所示。整条曲线非常平滑，没有毛刺和间断，且呈非常快速的上升趋势。

以上仿真结果证明了本设计拥有实现快速精准的MPPT技术的能力，达到了高效利用太阳能电池板为储能设备全过程充电的目的。开关变换电路的占空比与其输入输出电压关系之间矛盾的情况并未发生过，也印证了先前对于系统控制上自适应性的推断。

3.2 实验验证

本设计完成了用规格10W/17.9V太阳能电池为2F和5F两种超级电容器阵列充电的实验。

实验1：为2F超级电容器充电，自2014年3月12日10:30开始充电，至10:53超级电容器阵列电压达到35 V。表 1是各个时刻的超级电容电压值对照表。

实验2：为5F超级电容器充电，自2014年3月12日11：06开始充电，至12:08超级电容器阵列电压达到35 V。表 2是各个时刻的超级电容器电压值。

由表 1、表 2可以看出，在天气状况良好的情况下，用规格为10 W/17.9 V的光伏电池为2 F或5 F的超级电容阵列充电，都可以满足在短时间内实现充电到35 V的设计目标。

此外，随着充电过程的进行，开关波形占空比会随着输入输出电压关系而实时调整，整个充电过程能够连续进行，没有出现不能正常充电的情况。开关波形如图 7、图 8所示。

本设计的实验结果与文献[16]的实验结果相比较，有效缩短了充电时间，提高了充电效率。

4 结语

仿真和实验验证表明，本设计所采用的BUCK-BOOST硬件拓扑结构和加权变步长电压滞环扰动观察MPPT技术相结合的设计方法，能够实现高效利用太阳能电池充电的目的，与常规方法相比，体现了一定的优越性，有效缩短了充电时间，保证了光伏供电系统的稳定性和可靠性。