太阳能光伏发电最大功率点跟踪控制器的设计分析

太阳能光伏发电最大功率点跟踪控制器的设计分析

熊晓波

中国广核新能源控股有限公司518000

摘要：目前，绿色可再生能源已被广泛使用，有着独特优势的太阳能光电发电受到了青睐。太阳能光伏模块的输出功率很容易受到光的强度和温度等环境因素影响，为充分利用光伏模块的输出功率，输出功率必须保持最大化，也就是说，光伏模块的最大功率必须实时跟踪。因此，有必要对最大功率跟踪进行研究。

关键词：MPPT；控制器；DC/DC转换电路；太阳能光伏发电

引言

太阳能是能够直接用于生产生活的清洁能源，可以供居民使用，太阳能是源源不断、无穷无尽、无污染、无噪声的，人们越来越重视太阳能光伏发电，已被广泛应用。然而，光伏电池输出的特性受到光的强度、环境温度、负荷以及其他等影响因素，使其输出的电压与电流变化较大，结果造成输出的功率不够稳定，造成光伏发电系统的效率下降。因此，该如何更深入地提升光伏电池的效率转换以及如何充分运用光伏阵列的能量转换，成为太阳能光伏发电系统研究的发展方向。

一、太阳能光伏发电系统概述

太阳能光伏发电系统的构成主要包括太阳能控制器、光伏板、负载和蓄电池。太阳能控制器是光伏发电系统的关键，其功能是完成最大功率点跟踪（MPPT）、电池保护、电池充放电及负载电源等，控制器的性能关系到光伏系统的整体性能。系统的框图如图1。太阳能控制器的电路单元主要包括单片机、DC/DC的转换电路、电流电压的检测电路、驱动电路以及保护电路充电、放电等。该控制器使用功耗低、性能高八位单片机MC9S08QG8，电流、电压的检测电路模拟信号收集通过A/D端口发送至单片机进行分析计算，单片机是以驱动电路的输出PWM脉冲的控制信号，来调整DC/DC转换电路开关管内部的接通和关断，使其能够实现对转换电路的输出电压、电流的控制。太阳能控制器也可以通过蓄电池的终端电压实时测量来保护蓄电池不受过高的充电或过度放电的影响。

图1太阳能光伏发电系统框图

二、光伏电池的最大功率跟踪设计

在光伏电池输出电流中，输出电流总量与效率是受到光照的强度、环境的温度和功率负荷等几方面的影响。唯有在特定条件的光照强度和温度下，才能够确保光伏电池电压输出的稳定性，当电池运行达到一定电压时，能够达到光伏电池输出的最大功率，即是达到光伏电池电压输出曲线的顶峰点，这一点被称为最大功率点。因此，在太阳能光伏发电过程中，需要加强光伏发电系统的运行效率，最主要的方法是实时调节光伏电池的运行点，确保光伏电池一直位于在最大功率点上运行，这就是最大功率点跟踪，是因当前光伏电池的总体价格与有关成本非常高，在太阳能光伏发电系统的总体投资中光伏电池成本占了很高的比例，所以，想要提升光伏电池的运行效率就是要将光伏发电系统的总体投资量下降。光伏电池在运行中产生的电压会随着环境的温度与光的强度变化而产生改变，最大功率跟踪的目标是通过光伏电池的最大功率点电压控制，能够达到在不同环境下光伏电池都可以输出最大的功率，在光伏电池的最大功率左侧，光伏电池的电压的变化与输出的功率呈正比；在光伏电池的最大功率右侧，光伏电池的电压的变化与输出的功率呈反比。在该调试中，有必要做好调试工作，其中最大功率点跟踪控制主要功能是当光伏电池输出的最大功率点在左侧时，这将增加实际工作中光伏电池的电压，因此，最大输出功率点接近。当最大功率点在电流输出点的左侧时，光伏电池的整体电压将会下降，进而达到逐渐逼近最大功率点。

最大功率点跟踪的工作事实上是一个自动找到最佳输出点的过程，利用光伏电池的矩阵找出电压与电流的最佳混合，因此获得最佳排列的功率输出，所以与以前的功率对比，进行反复对比，直到找到该电池的最大功率点。最大功率点找到之后，记录好四周情况及环境的因素，例如气温、气压等等，同时，做好相关的记录，使最大功率点的实际状况相对应，在以后光伏电池进行组装时能够合理地运用，在遇到情况与记录情况类似或完全一样的情况下，直接采用记录的情况进行设置，所以达到输出的最大功率，提升光伏电池的输出效率，使光伏发电生产的总体成本下降。

三、太阳能光伏发电最大功率点跟踪控制的设计分析

3.1最大功率点跟踪

在光伏发电的自动跟踪系统中，为能够充分运用太阳能，一定要考虑让它在最佳条件下工作，也就是说让它在最大功率点上工作。最大功率点跟踪是经过光伏电池的端电压U进行控制，使其光伏电池可以在不同环境温度与光照强度下能够智能输出最大功率。因为光伏电池的开路电压和短路电流受到温度与照射强度的影响，所以系统的运行点将围绕在最大功率点周围波动，结果造成整个系统的效率降低。为了解决以上的问题，太阳能光伏电池务必对最大功率点的跟踪控制，从而得到不同照射强度下的最大功率输出。

为了能够及时获得最大功率点，太阳能控制器必须将光伏发电系统中的输出电压、电流进行精确采样。由于当前的输出功率为输出电压与电流的乘积，所以用当前与前一刻的输出功率进行比较，通过调整PWM的占空比，让太阳能电池板一直处于最大功率点上运行。该文的太阳能控制器的设计的是运用升降压式DC-DC转换电路，把太阳能电池板电压的不稳定通过DC-DC转换后输出稳定的DC电压。图2为升降压式DC-DC转换电路的拓扑结构，主电路包括s开关管、D二极管、L电感和C电容等。

图2升降压DC—DC转换电路拓扑结构

由图2可知，当s开关管位于接通状况时，D二极管截止，太阳能光伏电池对电感L充电，其输出电压与输入电压的公式为

1）

式中：——光伏电池的输入电压；

——输出电压；

D——占空比。

从式1）可以得知，当D=0.5时，；当D<0.5时，；当0.5<D<1时，。由此可见，DC-DC转换电路的输出电压可以高于或者低于输入电压。因此，只要按照输入电压调整S开关管的占空比，就能够把DC输入的变化变成稳定的DC输出，通过使用DC-DC转换电路特性来达到最大功率点的跟踪。

3.2最大功率点跟踪控制方法设计

图3变步长的占空比扰动法流程图

为能够达到最大功率点的跟踪控制，运用了变步长的占空比扰动法。

在光伏发电系统中，PWM型的DC-DC转换器通常是太阳能电池板和负载的接口。在该转换电路的结构中，占空比D是可控变量。所以，只需要控制DC-DC转换器开关管的占空比D，也就是说按照功率的变化在线自动调整占空比的变化量，来调节光伏电池的输出功率，使其功率一直输出最大。占空比D大小确定太阳能电池板输出功率P大小，为了让光伏电池功率的输出最大，需要满足dP／dD=0。当dP／dD>0时，系统运行在最大功率点的左侧；当dP／dD<0时，系统运行在最大功率点的右侧。在占空比扰动法中，占空比D的调节仍有步长的择优问题。如果步长太大，跟踪的速度虽快，但是在最大功率点周围的波动就较大；如果步长太小，尽管在最大功率点周围的稳态波动较小，但是跟踪速度很慢，不能适应外部环境的迅速变化。因此，该文采用变步长的方式进行步长的搜索，优势是精度较高、稳态波动较小。其流程图如图3。

先将K时刻与K-1时刻的占空比对比，假如系统在最大功率点周围的左边运行，按步长进行搜索，m和n则表示dP/dD的方向，m代表上次，n代表本次，然后比较Dk-1及Dk，直到出现Dk-1<Dk为止。同时，假如在最大功率点的右边运行，应改变搜索方向，并将步长缩小到，精度提升了1倍，而后继续搜索直到第2次搜索方向产生变化，继续缩小步长到，精度再次提升了1倍。以此类推，直到搜索到最大功率点为止。运用变步长的占空比扰动法能够有效地控制系统在最大功率点周围的波动情况。

四、结束语

为了提升光伏发电系统的运行效率，设计了用于光伏发电系统的最大功率点跟踪控制器。该控制器运用升降压式DC-DC转换电路和变步长的占空比扰动法，来达到最大功率点跟踪控制。

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