基于Buck變換器的光伏電池最大功率跟蹤器.doc

基于Buck變換器的光伏電池最大功率跟蹤器吳透明， 姚國興，孫磊（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東省綠色能源重點實驗室，廣東 廣州 510640）摘要：文章論述了利用Buck電路對光伏電池進(jìn)行最大功率點跟蹤的原理，提出了一種基于單片機(jī)的，以Buck電路為核心的MPPT系統(tǒng)，并對以蓄電池為負(fù)載的系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。通過實驗結(jié)果表明該控制器達(dá)到了MPPT功能。關(guān)鍵字: 太陽能；蓄電池；最大功率跟蹤；PIC單片機(jī)中圖分類號: TM 61Maximum Power Point Tracker for Solar Cell Based on Buck ConverterWU Touming, YAO Guoxing , SUN Lei(Electric Power College, South China University of Technology Guangzhou Guangdong 510640, China)Abstract:This paper introduces the principles of photovoltaic maximum power point tracking using Buck converter.A microcontroller-based MPPT system with Buck converter is proposed .Experiment rearch is proceeded to the MPPT system with battry-load. Experiment results indicate that the controller has the MPPT function.Key words: solar energy; battery; MPPT；PIC microcontroller1 引言光伏電池是太陽能發(fā)電的核心部分, 具有將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的功效。光伏發(fā)電作為一種具有廣闊前景的綠色能源已成為國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點，但是光伏發(fā)電存在兩個主要問題4：第一，光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境影響大，當(dāng)溫度和光照輻射強(qiáng)度變化時，其輸出特性會發(fā)生較大的變化；第二，光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低而且價格昂貴，初期投入較大。因此，為了充分利用光伏電池所產(chǎn)生的能量，通常在光伏電池和負(fù)載之間串聯(lián)最大功率點跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)電路，從而實現(xiàn)最大功率輸出。2 光伏電池的特性光伏電池在一定光照強(qiáng)度和一定溫度的情況下輸出特性曲線如圖1：圖1 光伏電池的V-I特性曲線和V-P特性曲線 當(dāng)外部環(huán)境變化時，光伏電池輸出發(fā)生變化，太陽能光伏電池的V-I輸出特性如下：圖2 不同光照強(qiáng)度（上）條件下、不同溫度（下）條件下的光伏組件V-I輸出特性曲線由光伏電池的V-I特性曲線可以看出，短路電流主要受太陽光照強(qiáng)度影響，而開路電壓主要受溫度影響。在光照和溫度一定的條件下，光伏電池的最大功率點只有一處，其對應(yīng)的電壓和電流為最大功率電壓和最大功率電流。因此，必須在光伏電池與負(fù)載之間增加MPPT電路，當(dāng)外部環(huán)境或者負(fù)載變化時，使光伏電池都工作在最大功率點附近，以提高光伏電池的利用效率。3 MPPT控制技術(shù)的實現(xiàn)3.1最大功率跟蹤原理 光伏電池是一個非線性電源，其輸出電壓和電流不僅受到光強(qiáng)和溫度的影響，還決定于負(fù)載的性質(zhì)和狀況。在光伏電池的伏安曲線中，光伏電池的輸出特性曲線與負(fù)載特性曲線的交點即為光伏電池的工作點5。如果工作點處于最大功率點，光伏電池所產(chǎn)生的電能被充分利用，反之它所產(chǎn)生的電能沒有被充分利用。 使用直流電源加可變電阻來模擬光伏電池的輸出特性曲線，實驗電路如圖4所示。圖中虛線框中的為模擬的光伏電池，它由一個直流電源和一個可變電阻組成，電壓就是模擬光伏電池的輸出電壓。虛線框外為功率變換電路，包括DC/DC變換器和負(fù)載。DC/DC變換器為Buck電路，Buck電路拓?fù)淙鐖D5所示。圖3 光伏電池實驗等效電路圖4 Buck電路拓?fù)鋱D4中和是變換器的輸入電壓和輸出電壓，是平均輸入電流。D是占空比，是負(fù)載，對于理想的Buck電路有： （1） （2） （3）由（1）（3）可得 （4）所以可以將Buck變換器和負(fù)載看作是一個等效的可變電阻，它的大小和占空比D和負(fù)載有關(guān)。如果用P表示模擬光伏電池的輸出功率，對于整個實驗?zāi)Ｐ陀?（5） （6）將（5）代入（6）消去可以得到 （7）當(dāng)=/2時，有最大功率輸出 （8）根據(jù)式（7）得出光伏電池的P-U曲線，如圖5所示，該曲線與光伏電池的P-U曲線特性相似，說明使用本方法代替光伏電池進(jìn)行實驗是可行的，當(dāng)?shù)碾妷簽殡妷涸吹囊话爰?時光伏電池獲得最大功率輸出。所以在不變的情況下通過改變D使=可以實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤。圖5 模擬光伏電池功率電壓曲線3.2控制方法光伏電池的最大功率跟蹤點控制方法很多5，如開路電壓法，短路電流法，電壓擾動法，導(dǎo)納增量法等，這些方法各有優(yōu)缺點。本文采用電壓擾動法，該方法控制簡單，所檢測的參數(shù)較少，因此普遍應(yīng)用在光伏MPPT控制器中。電壓擾動5通過將本次光伏電池的輸出功率與上次的比較，來確定是增加還是減少光伏電池的輸出電壓。如果功率增加，則光伏電池電壓維持原來的電壓擾動方向；如果功率降低，則光伏電池電壓向相反方向擾動。通過反復(fù)的擾動、觀察和比較，使光伏電池輸出功率達(dá)到最大功率點處。對于Buck電路，通過改變D來調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓。假設(shè)Buck電路的轉(zhuǎn)換效率為，則光伏電池輸出功率。在一定條件下，是常數(shù)，則通過觀察負(fù)載上功率的變化可以反映光伏電池輸出功率的變化?？刂七^程是這樣的，給D一個擾動，觀察負(fù)載R2上功率的變化，如果功率增加則對D維持原方向的擾動，相反如果功率減少則對D反方向擾動，如此反復(fù)進(jìn)行下去。3.3控制器的實現(xiàn)控制器的原理圖如圖6所示。圖6 光伏電池最大功率跟蹤器由于Buck電路1的輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲能電容，則光伏電池工作在時斷時續(xù)的狀態(tài)下，不能處于最佳工作狀態(tài)。加入了儲能電容C1后，Buck電路功率開關(guān)斷開時光伏電池1對儲能電容充電，使光伏電池始終處于發(fā)電狀態(tài)，此時調(diào)節(jié)Buck電路占空比才可以有效跟蹤最大功率工作點。本文中的單片機(jī)采用PIC16F873a單片機(jī)，控制器的負(fù)載為鉛酸蓄電池，單片機(jī)采樣蓄電池的電壓（Buck的輸出電壓）和充電電流（Buck的輸出電流），通過電壓擾動的算法計算后，單片機(jī)輸出Buck的開關(guān)管開關(guān)信號?？刂破鞯能浖鞒虉D如圖7。圖7 程序流程圖4 實驗結(jié)果及分析光伏電池參數(shù)：最大功率180W，短路電流4A，開路電壓45V。蓄電池參數(shù)：將兩個12V，60Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)。控制器單片機(jī)選用PIC16F873a，開關(guān)頻率選為20KHz。做對比試驗，在同樣的外部環(huán)境條件下，一光伏電池對蓄電池組直沖，另一個光伏電池采用本文的最大功率跟蹤器對蓄電池組充電，記錄對比數(shù)據(jù)見表1。由表1知，接有MPPT裝置后，光伏電池輸出功率有了明顯提高。表1 對比實驗結(jié)果時間有MPPT的充電電流（A）無MPPT的充電電流（A）輸出功率提高百分比（%）09:002.752.3517.2010:003.453.0023.0011:003.323.1021.4012:003.213.0526.0013:003.002.8722.2014:002.642.3425.0115:002.111.7521.705 結(jié)論本文介紹了利用Buck電路對光伏電池進(jìn)行最大功率點跟蹤的原理，提出了一種基于單片機(jī)的，以Buck電路為核心的MPPT系統(tǒng)，并對以蓄電池為負(fù)載的系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。通過對比實驗結(jié)果表明，采用該控制器使光伏電池實現(xiàn)了MPPT功能，提高了光伏電池的發(fā)電效率。參考文獻(xiàn)1 趙 宏，潘俊民. 基于Boost電路的光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng). 電力電子技術(shù), Vol. 38, No. 3, June, 2004 2 張 超，何湘寧. 短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中的應(yīng)用 中國電機(jī) 工程學(xué)報 Vol.26 ,No.20 ,Oct.,20063王志新. PV系統(tǒng)的變電壓MPPT算法及仿真.華南理工大學(xué)學(xué)報( 自然科學(xué)版), Vol 37, No. 2,February ,20094 薛林，姚國興. 基于雙向DC-DC變換器的光伏發(fā)電系統(tǒng).電氣傳動，Vol. 40, No. 11, June, November,20105 張玉平，石新春.一種新型光伏最大功率跟蹤控制器的實現(xiàn). Vol. 43, No. 2, June, February,20096T. Kitano, M. Matsui, and D. Xu, “A maximum power point tracking control scheme for PV system based on power equilibrium and its system design,” Trans. Inst. Electr. Eng. Jpn., vol. 121-D, no. 12, pp. 12631269,2001.作者簡介：吳透明（1