基于最大功率點(diǎn)跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要 光伏電池的輸出特性會(huì)受多方面因素影響，如光照、溫度、負(fù)載狀態(tài)等都會(huì)使它的輸出發(fā)生變化，同時(shí)不同條件下光伏電池最大功率點(diǎn)的位置也會(huì)變化。本文研制的基于單片機(jī)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)追蹤控制系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集光伏板的輸出電流值和輸出電壓值，經(jīng)過(guò)MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制算法，實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使光伏板穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)附近，提高光伏板的電能轉(zhuǎn)換效率，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效利用。

關(guān)鍵詞 最大功率點(diǎn)跟蹤；DC-DC；光伏電池

中圖分類號(hào) TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-（2012）112-0116-02

伴隨著能源匱乏，環(huán)境日益惡劣，綠色能源受到越來(lái)越多的關(guān)注，也得到了越來(lái)越多的使用。作為綠色能源中最豐富的太陽(yáng)能，由于其可再生性、清潔性及取之不盡、用之不竭等特點(diǎn)，正在發(fā)展成為世界能源組成中的重要部分。但是，目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電由于發(fā)電成本高、轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題并未大規(guī)模投入使用。因此，如何更有效地利用太陽(yáng)能是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。若想更有效地利用太陽(yáng)能，提高電能轉(zhuǎn)換效率，那么跟蹤光伏電池板的最大功率點(diǎn)是有效途徑。所以，太陽(yáng)能光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制系統(tǒng)的研究具有很高的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 太陽(yáng)能光伏電池發(fā)電原理及特性分析

1.1 光伏電池發(fā)電原理

光伏電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)換器，它的工作原理是以半導(dǎo)體P-N結(jié)上接受太陽(yáng)光照產(chǎn)生“光生伏特效應(yīng)”為基礎(chǔ)。所謂的“光生伏特效應(yīng)”是指物體吸收光能后，其內(nèi)部傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。

1.2 光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出特性與負(fù)載的關(guān)系是指在一定的光照及溫度的情況下，負(fù)載RL與輸出電壓、輸出電流以及輸出功率的關(guān)系。在光照強(qiáng)度與溫度相同的情況下，輸出功率隨著負(fù)載電阻的變化而變化。當(dāng)負(fù)載電阻大小為RM時(shí)輸出的功率最大，該點(diǎn)既為光伏電池最大功率點(diǎn)。

2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)控制的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效利用。光伏電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)DC-DC模塊給蓄電池充電，為負(fù)載提供電能。檢測(cè)模塊與控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏電池板的輸出電壓與電流，根據(jù)控制器內(nèi)置控制策略——電導(dǎo)增量法，計(jì)算出下一次控制器輸出的控制信號(hào)PWM的占空比，控制信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路送給DC-DC模塊，通過(guò)改變開關(guān)管MOSFET的開通與關(guān)斷時(shí)間的比來(lái)控制光伏電池的輸出功率，從而達(dá)到對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的效果。

2.1 DC-DC模塊電路

在最大功率跟蹤控制系統(tǒng)中，DC-DC模塊是整個(gè)電路的核心部分。我們采用的是改進(jìn)型升降壓斬波電路Cuk斬波電路，同時(shí)Cuk斬波電路有一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，即其輸入電源電流和輸出負(fù)載電流都是連續(xù)的，且脈動(dòng)很小，有利于對(duì)輸入、輸出進(jìn)行濾波。同時(shí)可以滿足需要對(duì)光伏電池最大功率點(diǎn)快速跟蹤與需要對(duì)蓄電池進(jìn)行最大功率和恒壓充電的要求。本電路開關(guān)管采用MOSTET管，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 檢測(cè)模塊

要想跟蹤光伏電池最大功率點(diǎn)，實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏電池輸出電壓與輸出電流是必不可少的。太陽(yáng)能最大輸出功率模塊包括電壓檢測(cè)電路、電路檢測(cè)電路和AD轉(zhuǎn)換電路三部分。下面將詳細(xì)對(duì)兩部分電路做以介紹。

2.2.1 電壓檢測(cè)電路

電壓檢測(cè)電路電路包括三個(gè)部分：輸出電壓電阻分壓部分，通過(guò)這一部分得到0～3.3V 的電壓，使電壓在AD轉(zhuǎn)換芯片所能接受的范圍；然后再通過(guò)一個(gè)二階濾波電路，減小高頻信號(hào)的干擾，得到平穩(wěn)的電壓信號(hào)；最后再通過(guò)一個(gè)電壓跟隨器，將輸出電壓鉗制在3.3V以下。

2.2.2 電流檢測(cè)電路

該電路采用的電流傳感器采用霍爾電流傳感器ACS712，具有大帶寬，高靈敏度，及穩(wěn)定的偏執(zhí)電壓的特點(diǎn)。該電路將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并使輸出電壓值在AD芯片接受范圍內(nèi)。

2.2.3 AD轉(zhuǎn)換電路

采用的AD轉(zhuǎn)化芯片是TLC2543，它具有三個(gè)控制輸入端，采用簡(jiǎn)單的3線SPI串行接口可方便地與微機(jī)進(jìn)行連接。該芯片具有的多通道串行輸入的特點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)需同時(shí)采集多項(xiàng)電壓、電流的要求。經(jīng)AD芯片轉(zhuǎn)換之后將光伏板電壓、電流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后送至單片機(jī)。

2.3 驅(qū)動(dòng)隔離電路

驅(qū)動(dòng)隔離芯片采用光耦芯片TLP250。該芯片是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET的功率型光耦，最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A 。之所以選用TLP250是因?yàn)楣怦罴缺ＷC了功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，使驅(qū)動(dòng)電路變的簡(jiǎn)單。

2.4 穩(wěn)壓電路

系統(tǒng)中控制器由蓄電池供電，由于蓄電池電壓為12 V與控制器的電源電壓5 V不相吻合，所以要用7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓，保證了蓄電池的輸出電壓可供數(shù)字芯片使用。為了更穩(wěn)定的輸出電壓，對(duì)穩(wěn)壓芯片的輸入輸出端進(jìn)行了濾波。穩(wěn)壓輸出的5 V為系統(tǒng)中的控制器、顯示屏及除光耦TLP 250外其它芯片提供電源。穩(wěn)壓電路包括防反沖二極管D、穩(wěn)壓芯片7805、濾波電容（CD1、CD2、C1、C2、C3），其中CD1、CD2為電解電容。

2.5 控制器

控制器太陽(yáng)能光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)控制器采用STC89C52。為了使控制器能正常的工作，需要建立單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路。控制器由穩(wěn)壓電路提供電源，與檢測(cè)電路相連接接收處理電壓與電流信號(hào)，通過(guò)內(nèi)置算法來(lái)產(chǎn)生PWM波，經(jīng)驅(qū)動(dòng)隔離電路來(lái)控制DC-DC電路中MOSFET開關(guān)管的開通與關(guān)斷，來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板最大功率的跟蹤。

控制器的最小系統(tǒng)中還包含顯示模塊和串口下載模塊。顯示模塊可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)所采集的電壓和電流值；串口通訊模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)內(nèi)部程序的下載和更新。

3 控制算法

3.1 跟蹤原理

由光伏電池輸出特性可知，在任意光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池都存在一個(gè)最大功率點(diǎn)，且隨著負(fù)載的變化而變化。若要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)變更系統(tǒng)負(fù)載特性，即調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之能在不同的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下始終讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn)附近。

為了實(shí)時(shí)變更系統(tǒng)負(fù)載特性，本系統(tǒng)采用的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤器是一個(gè)DC-DC模塊，因此可將光伏電池等效為直流電源，DC-DC模塊看成外部負(fù)載。光伏板實(shí)際所接的等效負(fù)載時(shí)DC-DC變換器的占空比和其所帶負(fù)載的函數(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)控制信號(hào)PWM占空比就可以達(dá)到改變光伏電池等效負(fù)載的目的，使之在不同的外部環(huán)境下，始終使負(fù)載與光伏電池相匹配，是光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

3.2 跟蹤算法

本系統(tǒng)的MPPT方法采用改進(jìn)型電導(dǎo)增量法，其控制流程圖如圖1所示。根據(jù)改變步長(zhǎng)值的大小來(lái)改變占空比，從而通過(guò)脈寬調(diào)整方法生成PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件來(lái)改變輸出電壓的設(shè)定值，最終實(shí)現(xiàn)MPPT。這種方法控制精確，響應(yīng)速度快，適用于外部條件不斷變化的情況，但對(duì)于硬件精度要求比較高，因而整個(gè)系統(tǒng)對(duì)硬件的要求也比較高。

4 結(jié)論

電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合。但是對(duì)硬件的要求尤其是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度都要求比較快。本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電系統(tǒng)在光強(qiáng)和溫度大范圍變化的情況下具有高速、穩(wěn)定跟蹤的特性。

圖1 控制流程圖

注：本文系“北京信息科技大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目”資助的研究成果。

參考文獻(xiàn)

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