一種最大功率點跟蹤方法的研究

蒙紀(jì)全 劉建麟 黃可煜 馬付杰

（1.廣西超星太陽能科技有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西吉寬太陽能設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530000；3.南寧可煜能源科技有限公司，廣西 南寧 530000）

【摘 要】在國家相關(guān)政策和文件精神的扶持和鼓勵下，太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展快速，在一般太陽能光伏發(fā)電中，都會涉及最大功率點跟蹤。文章將研究和論述一種太陽能最大功率點跟蹤的方法，并通過實驗檢測其有效性。

【關(guān)鍵詞】太陽能光伏發(fā)電；最大功率點；電子設(shè)計競賽；實驗檢測

【中圖分類號】TM615 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2016）04-0036-03

0 前言

隨著能源危機意識和環(huán)境保護意識的不斷加強，近年來尋求新能源成為世界科技的一大熱點。其中，太陽的開發(fā)利用不會產(chǎn)生噪音、粉塵、大氣等環(huán)境污染因素。但是，太陽能電池板的價格相對昂貴，并且在不同陽光下輸出的能量有較大的波動，在相等功率輸出的前提下，最大功率點跟蹤技術(shù)能夠有效地減少太陽能電池板的成本開支。本人在2014年大學(xué)生電子設(shè)計競賽中所做的題目為《具有最大功率點跟蹤的開關(guān)電源》，由于競賽時間和平時知識面有限，用STM32為控制，通過冒泡排序法實現(xiàn)開關(guān)電源的最大功率點跟蹤。賽后查閱相關(guān)文件對該知識有了更深一步的了解，目前使用比較普遍的有“爬山法”、數(shù)學(xué)建模法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，但是這些方法的操作比較繁瑣且相當(dāng)復(fù)雜。本文提供一種基于STM32的最大功率點跟蹤方法，并通過使用直流穩(wěn)壓電源進行實踐檢驗。

1 太陽能電池板的特性

太陽電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導(dǎo)體時所引起的光電效應(yīng)，圖1和圖2是某太陽能光伏電池板的功率輸出和電流輸出實時采集串口打印的圖像。與目前研究發(fā)現(xiàn)的情況一樣，太陽能電池板的輸出功率不是恒定不變的，而是在環(huán)境變化時有相等大的波動。

由圖1的函數(shù)曲線圖形我們可以觀察到，太陽能板的輸出功率先是隨著輸出電流的慢慢增大而跟著慢慢增大；當(dāng)電流的輸出大于某一個數(shù)值時，太陽板的輸出功率開始快速地減小。從圖2的函數(shù)曲線中可以看到，太陽能板的輸出功率先是隨著輸出電壓的變大而變大，當(dāng)電壓大于某一個數(shù)值時，太陽板的輸出功率開始快速地減小，而且減小的趨勢或者斜率相當(dāng)明顯。

2 最大功率點跟蹤原理

太陽能光伏電池板在光照情況下會產(chǎn)生光電反應(yīng)，在一個閉合回路由安培定律可知，閉合回路會產(chǎn)生電流，因此可以將太陽能光伏電池板看做是一個電源。只要是電源就必然會有電源的內(nèi)部阻抗，因此進行電路分析，可把電源負和負載的閉合回路等效為如圖3所示的電路。其中，V1為電源，設(shè)其電壓值為U1，RS為電源的內(nèi)阻，RL為負載電阻，設(shè)輸出的功率為PO，負載RL上的電壓為UO 。由串聯(lián)電路歐姆定律可以得到：

（1）

由此推導(dǎo)式可以明顯看出，當(dāng)電源的內(nèi)部阻抗和負載阻抗相等時，負載所得到的功率最大。由串聯(lián)電路原理可知，此時電源內(nèi)阻和負載上的電壓相等。由串聯(lián)電路原理可知，負載Uo上的電壓方程式可以表述如下：

（2）

3 最大功率點跟蹤原理MATLAB仿真驗證

在上述基礎(chǔ)上使用MATLAB進行數(shù)學(xué)仿真用以檢驗上述理論分析。設(shè)電源V1的電壓值為35 V，電源內(nèi)阻為10 Ω，負載電阻變化為5～25 Ω。分別以輸出功率Po作為縱坐標(biāo)，RL作為橫坐標(biāo)和PO作為從坐標(biāo)，UO作為橫坐標(biāo)，可以得到圖4和圖5。從圖4電源輸出功率與負載大小關(guān)系圖可以看到，當(dāng)負載電阻值等于10 Ω時，電源的輸出功率達到最大值。從圖5電源輸出功率與負載電壓大小關(guān)系圖可以看到，當(dāng)負載電壓值等于17.5 V時，電源輸出的功率達到最大值。從而證明上述理論的可靠性。

4 最大功率點跟蹤原理實踐驗證

在對本文所述原理進行實踐驗證時使用的供電電源為某品牌實驗室電源，輸出最大電壓為30 V，輸出電流為3 A，模擬內(nèi)阻采用8 Ω/200 W金屬殼電阻，負載使用圓盤陶瓷可調(diào)電阻，最大功率點跟蹤模塊由TL494降壓型開關(guān)電源和STM32F103組成。由于作者參加電子設(shè)計競賽時采用DAC的方式控制開關(guān)電源輸出是一種簡單快捷的方法，沒有使用PWM控制方法和涉及太多的算法，所以無需考慮PID控制等問題。具體做法如圖6所示。

為了更進一步形象地說明STM32自動控制電源輸出或數(shù)控可調(diào)電源，采用王衛(wèi)東教授所著的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》中的“圖8-24”。這是一個純模擬電路開關(guān)電源。

由虛短虛斷理論可知，R2處的電壓會和基準(zhǔn)源相等。本文的做法是制造一個可以變化的反饋信號對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，通過運放電路去改變它的反饋電壓；具體說，就是用一塊有雙運算放大器的芯片去做一個差放還有一個電壓跟隨器，差放的同相端連接電源輸出電壓的電壓采集，反相那邊連接STM32單片機的DA模擬輸出口，這2個量進行一個做差計算后輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出連接到芯片的反饋，在這個時候調(diào)節(jié)了DA的輸出，那么電源電壓的輸出電壓就會發(fā)生相應(yīng)的改變。改變反饋的差放數(shù)控調(diào)節(jié)電源輸出的原理圖如圖7所示，R3是反饋電阻；R4是平衡電阻；R1、R2是運放的輸入電阻。

在純模擬電路的時候，圖8中的電壓可調(diào)輸出的數(shù)學(xué)代數(shù)式如下：

（3）

反饋回來的電壓信號經(jīng)過圖7所示電路圖的時候發(fā)生了相當(dāng)大的改變，由運放的虛短虛斷原理可知，電壓跟隨器的輸出等于芯片的基準(zhǔn)UREF ，從而可以得到以下數(shù)學(xué)表達式：

（4）

G為差放的放大倍數(shù)，在一般情況下放大的倍數(shù)太大，會導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，因此將G取值為5；因為是用DA來實現(xiàn)可以調(diào)節(jié)的輸出電壓，所以和的大小是固定不變的。因此：

（5）

（6）

測試時將供電電源電流調(diào)到最大，否則在同一個電源給單片機供電時，電流從小調(diào)起，單片機開始不工作。測試數(shù)據(jù)記錄見表1。

5 總論與展望

本文提出的最大功率點跟蹤方法經(jīng)過仿真與實踐相結(jié)合的方式證實了其可靠性，這個方法簡單實用，由于陽光照射強度變化速度不快，因此本方法是一種較好的微型光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法。

參 考 文 獻

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】蒙紀(jì)全，男，廣西超星太陽能科技有限公司項目部經(jīng)理助理；劉建麟，男，任職于廣西吉寬太陽能設(shè)備有限公司，從事相關(guān)科技項目申報工作。