光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制器的設(shè)計方案

1、本文由松下野狐他哥貢獻pdf文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。新能源專題光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制器的設(shè)計白連平1白實2（ 1. 北京信息科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100192 ； 2. 瑞薩電子（上海）有限公司北京分公司，北京 100190 ） 摘要 針對目前太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率低的問題，本文利用微控制器設(shè)計了一種太陽能光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制器。該控制器采用升降壓式DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，利用電壓擾動法實現(xiàn)最大功率點跟蹤，使太陽能光伏電池始終保持最大功率輸出；控制器還能實時測量蓄電池的端電壓，對蓄電池進行充放電保護。該控制器軟硬件結(jié)合、可靠性高，提高了

2、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率，并延長了蓄電池使用壽命。關(guān)鍵詞：太陽能光伏電池；最大功率點跟蹤；DC/DC 轉(zhuǎn)換電路；電壓擾動法Design of Solar Controller with Maximum Power TrackingBai Lianping1 Bai Shi2 (1.School of Automation, Beijing Information Science&Technology University, Beijing 100192； 2.Renesas Tehnology (Shanghai) Co., Ltd,Beijing Branch, Beijing 100

3、190) Abstract In view of the low efficiency of solarphotovoltaicsystem,shortservicelifeofthelead-acidbatteryand otherissues ， designedasolarcontrollerusingmicrocontrollerMC9S08QG8. ThecontrollerusesBuck-BoostDC/DCconversioncircuitandvoltageperturbalgorithmto achievemaximum power pointtracking,and ma

4、intainsthelargestoutput of the solar cell. The controller also measures the battery voltage, andachieves the battery charge and discharge protection. The controller integratessoftware and hardware, has high reliability, increases solar photovoltaic systemefficiency and extends battery life. Key word

5、s： solar controller； MPPT； DC/DCconversion circuit； voltage perturb algorithm1引言制器采用微控制器來實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制，有效地提高了太陽能電池的輸出效率。太陽能是人類可利用的最直接的清潔能源，它 無污染、無噪聲、取之不盡、用之不竭，日益被人 們重視，太陽能光伏發(fā)電得到廣泛地應(yīng)用。但是太 陽能光伏電池的輸出特性受負(fù)載大小、環(huán)境溫度、 日照強度等因素的影響，太陽能光伏電池輸出的電 壓和電流均發(fā)生很大的變化，從而使輸出功率不穩(wěn) 定，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)效率降低。因此如何進一步 提高太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，充分利用光伏陣

6、 列所轉(zhuǎn)換的能量，一直是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究 的重要課題。 本文對太陽能電池的輸出特性進行了分析，研 究了最大功率點跟蹤的控制原理和控制算法，設(shè)計 制作了太陽能光伏發(fā)電最大功率跟蹤控制器，該控2太陽能電池輸出特性太陽能電池輸出特性是非線性的，受外界多種因素影響，主要因素是光照強度和環(huán)境溫度。太陽能電池伏安特性曲線如圖1所示。從圖 1可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度為25 時，太陽能電池的輸出電流和電壓隨著光照強度的增大而增大；而當(dāng)日照強度不發(fā)生變化時，太陽能電池的輸出電壓會隨著溫度的升高而降低。圖 2是太陽能電池伏瓦特性曲線?？梢钥闯?，環(huán)境溫度一定時，光照強度越大，太陽能電池輸出的功率也越大；相反光照強

7、度不變時，環(huán)境溫度越高，太陽能電池輸出的功率越小。我們可以得到結(jié)1042009年第8期本資料來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原著作所有，禁止使用于一切商業(yè)行為，僅供交流學(xué)習(xí)用！請在下載后24 小時內(nèi)刪除！新能源專題論：在不同的環(huán)境下，太陽能電池輸出曲線是不同的，最大功率點隨著光照強度和溫度的變化而變化。因此為了提高太陽能電池的發(fā)電效率，就要對太陽能電池最大功率點進行跟蹤。圖 3太陽能發(fā)電系統(tǒng)框圖（a）相同溫度不同光照太陽能控制器包括DC/DC 轉(zhuǎn)換電路、微控制器、電壓電流檢測、驅(qū)動電路和充放電保護電路等電路單元。該控制器采用低功耗、高性能8位微控制器 MC9S08QG8，電壓電流檢測電路采集到的模擬信號經(jīng)A

8、/D端口送入微控制器進行分析計算，微控制器通過驅(qū)動電路輸出PWM 脈沖控制信號調(diào)節(jié)DC/DC 轉(zhuǎn)換電路內(nèi)部開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)換電路輸出電壓及電流的控制。控制器還能實時測量蓄電池的端電壓，對蓄電池進行充放電保護，防止蓄電池過充或過放。（ b）相同光照不同溫度圖 1太陽能電池U-I特性曲線44.1最大功率點跟蹤的實現(xiàn)（a）相同溫度不同光照最大功率點跟蹤控制原理DC/DC 轉(zhuǎn)換電路是接在直流電源和負(fù)載之間，通過控制電壓的方法將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路，它被廣泛的應(yīng)用于逆變系統(tǒng)、開關(guān)電源和用直流電動機驅(qū)動的設(shè)備中。本文設(shè)計的太陽能控制器通過采用升降壓式 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路

9、，將太陽能電池的不可控輸出電壓轉(zhuǎn)換成可控的輸出電壓。升降壓式DC/DC 轉(zhuǎn)換電路是輸出電壓既可高于又可低于輸入電壓的單管不隔離直流轉(zhuǎn)換電路。如圖4 所示，主電路由開關(guān)管Q、二極管 D 、電感 L和電容 C 等構(gòu)成，其輸出電壓極性與輸入電壓極性相反。（ b）相同光照不同溫度圖 2太陽能電池P-U特性曲線3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏板、太陽能控制器、蓄電池和負(fù)載4部分構(gòu)成。其中太陽能控制器是整個系統(tǒng)的核心部分，主要完成最大功率點跟蹤（ MPPT） 、蓄電池的充電、負(fù)載的供電和蓄電池保護等功能，其性能的好壞直接決定了整個光伏系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)框圖如圖3所示。圖 4升降壓式DC/

10、DC 轉(zhuǎn)換電路從圖電。 VL20094可以看出，當(dāng)開關(guān)管可以表示為VL = Vi ? I L Rl年第8期Q 處于導(dǎo)通狀態(tài)時，二極管（ 1） 因為導(dǎo)通的時間D 截止，電源給電感Ton很短，所以有L充105本資料來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原著作所有，禁止使用于一切商業(yè)行為，僅供交流學(xué)習(xí)用！請在下載后24 小時內(nèi)刪除！新能源專題diL V，I L = L×T（ 2 ） dt L V ? I× RL 將式 1 ） （ 代入式 2 ） 有I L + = i L（ ，× TON L當(dāng)開關(guān)管Q 處于截止?fàn)顟B(tài)時，二極管D 導(dǎo)通，電感 L放電。 VL=L× VL=?VO+VD+

11、IL× RL程框圖見圖5 。（ 3 ）將式（ 3）代入式（ 2） ，有 ?VO+VD+IL× RLIL?=× TOFF L根據(jù)能量守恒定律有 ?V + VD + I L× RL Vi ? I L× RL × TON=O ×TOFFLL可以得到VO = ? Vi× TONT?VD?IL× RL × TOFF TOFF（ 4 ）其中， T = TON + TOFF。 T用占空比 D代替 ON ，式（ 4 ）可以表示為 T I× RLD VO = ? Vi × ? VD ? L 1

12、? D 1? D因為二極管上的壓降VD 和電感的等效電阻 RL 可以近似為 0 ，上式可以簡化為D（ 5 ） VO = ?Vi× 1?D從式（ 5）可以看出當(dāng)D=0.5時， VO = Vi；當(dāng) V V D<0.5時， O < Vi； 0.5<D<1 時， O > Vi，DC/DC當(dāng)即轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓即可高于又可低于輸入電壓。因此只要根據(jù)輸入電壓，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管Q 的占空 比， 可以將不可控的直流輸入變成可控的直流輸出，因此利用 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的這一特點可以實現(xiàn)最大功率點跟蹤（ MPPT） 。 4.2 跟蹤控制方法設(shè)計為了實現(xiàn)最大功率點跟蹤功能，本

13、文采用電壓擾動法，原則是電壓的變化始終是讓太陽能電池輸出功率朝大的方向改變。電壓擾動法簡述如下：太陽能控制器在每個控制周期用較小的步長改變太陽 能電池的輸出，方向可以是增加也可以是減小。然后，比較干擾周期前后太陽能電池的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減小，則改變“干擾”方向。這樣，太陽能電池的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達到穩(wěn)態(tài)。最大功率點跟蹤控制流圖 5MPPT 控制流程框圖5太陽能控制器硬件電路設(shè)計控制器主體電路如圖6所示，采用微控制器MC9S08QG8作為核心控制單元，使用MOS管作為 充

14、放電控制管和保護管，減少了系統(tǒng)功耗和開關(guān)工作速度。為可靠地檢測到太陽能電池的輸出電壓和電流、 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的輸出電流，采用直流側(cè)電壓檢測電路；轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓和蓄電池的端電壓用電阻分壓法進行采集，以上采集到的五個模擬電壓信號通過 A/D端口送入微控制器。由于肖特基二極管比普通二極管具有管壓降低、功耗小、電荷 儲能效應(yīng)小等特點，所以電路中采用肖特基二極管D2作為防反充二極管，防止蓄電池向太陽能電池反向充電。 控制器通過控制DC/DC 轉(zhuǎn)換電路的內(nèi)部開關(guān)管 Q1 的通斷，可以控制蓄電池的充電過程；在蓄電池和負(fù)載間串聯(lián)開關(guān)管Q2 ， 當(dāng)蓄電池電壓小于放過電壓時，切斷蓄電池與負(fù)載間的回路，防

15、止蓄電池的過放；只有當(dāng)蓄電池電壓重新升到正常電壓 范圍內(nèi)，開關(guān)管Q2 才會重新導(dǎo)通。5.1 微控制器電源變換電路受控制器體積和成本的限制，以微控制器為核心的控制電路的電源直接通過蓄電池端電壓變換得來，7 的 LM317 三端可調(diào)穩(wěn)壓器變換出微控制器圖 的電源電壓。1062009年第8期本資料來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原著作所有，禁止使用于一切商業(yè)行為，僅供交流學(xué)習(xí)用！請在下載后24 小時內(nèi)刪除！新能源專題圖 6控制器主電路原理圖圖 7微控制器電源變換電路LM317輸出電壓變化范圍為1.2537V ，只需要 2個外接電阻就可以設(shè)置輸出電壓。LM317 輸出端 Vout和調(diào)整端ADJ 之間提供 1.25V

16、的基準(zhǔn)電壓Vref，圖 9電壓檢測電路輸出電壓滿足下面公式Vout = Vref (1 + R2 ) R1Vi =R2(V+?V?)R1MOS信號，通， Q1管驅(qū)動電路MC9S08QG8使用 PTB6 和 PTB7 作為 2個 MOSEFT 開關(guān)管的柵極控制來控制開關(guān)管Q1和 Q2 。以 Q1 為例，當(dāng)PTB6 輸出高電平時，三極管 Q3 導(dǎo)柵極被拉為低電平，Q1 截止；反之PTB6 為低電平時，Q1 導(dǎo)通。驅(qū)動電路如圖8。5.2設(shè)計電路時，根據(jù)實際需要適當(dāng)?shù)剡x取R1 、 R2 的阻值，可以對輸入電壓信號進行放大，得到想要的模擬電壓信號。5.4實驗結(jié)果運用改進后的擾動觀察法對太陽能電池進行最大

17、功率點跟蹤控制，在不同的光照強度下測量太陽能電池板的輸出電壓，其電壓值如表 1 。表 1光照強度/(W/m2)輸出電壓 /V太陽能電池在不同光照強度的輸出電壓值508.95 10.021009.39 10.57150 9.75 10.92200 10.16 11.38 25010.27 11.46圖8MOS開關(guān)管驅(qū)動電路5.3電壓檢測電路控制器使用成本低廉的高精度差動放大器作為電壓檢測器件組成電壓檢測電路，如圖9 所示。電壓輸入差動放大電路，其輸出Vi為 R4 ? R2 ? R2 Vi = ? 1 + ? V+ ? V? R4+R3?R1?R1令 R4/R3=R2/R1,上式可以表示為從表中可

18、以看出太陽能電池板輸出電壓是在一定范圍內(nèi)變化，這正是因為最大功率點跟蹤控制器在利用改進擾動觀察算法不停地搜尋最大功率點。為驗證采用最大功率跟蹤控制對提高太陽能電池輸出效率的效果，做了比較實驗：太陽能電池直接連接蓄電池，為蓄電池充電；太陽能電池通過最大功率跟蹤控制器為蓄電池充電。在環(huán)境溫度不變，光照強度發(fā)生改變時，分別測量在兩種不同充電方式下太陽能電池對蓄電池的充電電流，如表2所示。（下轉(zhuǎn)第112頁）2009年第8期107本資料來源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原著作所有，禁止使用于一切商業(yè)行為，僅供交流學(xué)習(xí)用！請在下載后24 小時內(nèi)刪除！新能源專題表 1Zone1 溫度設(shè)置 1 2 3 4 5 350 100

19、% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Voc 1 2 3 4 5 0.613 0.613 0.613 0.613 0.614 Zone2 350 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% 60% Isc 7.98 7.96 7.89 8.00 8.05燒結(jié)溫度設(shè)置及功率參數(shù)設(shè)置Zone3 350 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% Zone4 500 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100% 100

20、% Rs 0.0028 0.0028 0.0026 0.0030 0.0033 Zone5 520 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% Rsh 70.0 75.6 79.5 60.644.7Zone6550 55% 55% 55% 55% 55% 55% 55% 55% 55% 55% FF 77.2277.4877.5276.84 76.51 Zone7 650 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% Eff 15.52 15.5415.41 15.48 15.54 Zone8 815 50% 50% 50%

21、 50% 50% 50% 50% 50% 50% 50% Zone9 885100% 100% 100% 80% 100% 60% 80% 100% 60% 100% Irev2 0.58 0.55 0.42 0.62 0.72表 2電池測試主要參數(shù)注：測試使用Berger標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)，Irev2反向電壓設(shè)置為12V 。電池彎曲度每組取連續(xù) 5 片經(jīng)過實際測量（測 量值取最大弧度處的高度）得到實際數(shù)據(jù)如表 3。表 3彎曲度 /mm上下功率比例電池參數(shù)Isc， Rs ，Rsh ，Irev2及FF改 變很大，而且電池的彎曲度也可以得到有效控制。電池的彎曲度5組數(shù)據(jù)1 2.2 2 2.1 3 1.7 4 2.3 5 2.76引申5分析和結(jié)論通過觀察幾組數(shù)據(jù)可以得知通過調(diào)節(jié)燒結(jié)爐的上下功率比例，可以得到更好的電池參數(shù)通過改變（上接第107頁）本實驗中只是對特定的漿料和燒結(jié)溫度曲線進行了實驗比較