固緯電子電力電子教學小課堂 | 第二十四講: PEK-120模塊之PV充電器

PTS-系列之PEK-100系列教學
PEK-120模塊之PV充電器

寫在前面的話

經過前幾期對于PTS-800中基本的電路圖拓撲結構的學習，我們已經掌握了基本的電路模型。從PEK-100系列開始，在固有電路拓撲基礎上開始對電路的控制方式進行學習。本期將針對直流變換器PEK-120的控制方式以及與新能源中光伏發電結合探究最大功率點追蹤技術的學習。

PEK-120
降壓式轉換器模組

簡 述：

下圖所示為PV充電系統之三種工作模式，圖(a)為MPPT模式，當PV模組電力不足供給負載或充電使用時，其不足部分將由蓄電池供給；圖(b)為部分充電模式，當PV模組電力足夠供給負載使用，且多余之電力還可對蓄電池進行充電，但所多余電力仍不足以最大充電電流對蓄電池充電，以上兩種模式均操作于最大功率點。圖(c)為MPPT偏移模式，當PV模組操作于最大功率點時，其總輸出電力大于負載及蓄電池需求總和，為求電力平衡情況下，必須降低PV模組總輸出電力，此時PV模組必須偏離其最大功率點以降低所產生之電力，來達到電力平衡。

控制架構：

為實現上述工作模式，PV充電系統控制架構安排如下圖所示，其采用雙回路控制，外回路為充電控制回路，內回路包含MPPT控制回路與PV電壓控制回路，其控制原理如下：

首先取樣蓄電池電壓(Vb)與蓄電池最大電壓命令(Vb*)比較，其誤差經由PI控制器與正向限制器后可得到充電電流命令(Ib*)，當蓄電池電壓未達到最大電壓命令時，此限制器用以設定最大充電電流；當蓄電池電壓接近于最大電壓命令時，控制器便進入線性區，使得充電電流命令減少，最終將達到電池最大電壓命令準位且使充電電流僅提供電池本身之消耗。此方法可達到定電流充電、定電壓充電及浮充等三階段充電之目的來增長電池壽命。

由PI電壓控制器產生之充電電流命令(Ib*)與蓄電池電流(Ib)比較，當Ib>Ib*時，其誤差經由PI控制器與正向為零之限制器后產生一電壓命令(VL)，此電壓命令(VL)將會影響其最大功率點，使得最大功率點偏向右半面曲線，提升PV模組輸出電壓，最終使PV模組所產生輸出功率為負載和蓄電池需求總合，以達到電力平衡，此情形發生于MPPT偏移模式。反之，當Ib

依據上述方法，本實驗電池三階段充電策略之設定如下，其中Ich,max乃根據電池形式及容量所設定之最大充電電流：

定電流區:Vb≤0.8Vb*

Ib*=Ich,max

定電壓區:0.8Vb*

Ib*=Ich,max~0.1Ich,max(視電池電壓線性調整)

浮充區:0.95Vb*

Ib*=0.1Ich,max

結合PV控制器(MPPT采用P&O擾動觀察法)與充電控制器之模擬電路下圖所示，PV模組之最大功率點設定為Vmp=32V，Imp=3A，Pmp=96W。電池充電器之設定為Vb*=28V，電池電壓為24V，當充電電流限制(Ib*)設定為5A時，由于在此設定下輸出(Pch=24V*5A=120W)超過Pmp，系統將操作于輸出將被限制在Pmp使PV模組操作于最大功率點，亦即前述之MPPT模式(如果有接上負載的話)亦或部分充電模式，模擬結果下圖所示，系統確實操作于MPP點。電池電壓為24V，當充電電流限制(Ib*)設定為3A時，由于在此設定下輸出功率(Pch=24V*3A=72W)低于Pmp，系統之輸出將由Pch決定，MPPT將產生偏移，亦即前述之MPPT偏移模式，模擬結果下圖所示，MPP點確實偏移，且系統之輸出由Pch決定。將輸出之電池電壓提高到28V，充電控制器將進入CV模式，使Ib*減少，MPPT將更加偏移，PV模組接近開路電壓。

實驗驗證：

充電功率大于最大功率點：

充電功率小于最大功率點：

總　結：

基于直流變換器的光伏充電是新能源光伏發電的必備課程，適用于本科及研究生階段對光伏的學習與應用。固緯電子在點力電子教學方向致力于為老師減少壓力，緩解學生的學習壓力，因此開創了全新的理論與實踐相結合的教學模式，還請各位老師同學進行了解轉發。