基于MPPT的太陽能功率優化電路研究

陳 圳 林立新

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基于MPPT的太陽能功率優化電路研究

陳 圳 林立新

中南大學信息科學與工程學院，湖南 長沙 410000

太陽能是取之不盡、用之不竭的綠色能源，太陽能光伏發電是目前很有前景的發電技術。但是，光伏發電效率較低，通常只有16%左右。為了解決這一問題，研究從負載端優化的角度，對光伏發電的最大功率跟蹤進行了研究。結果表明，當太陽能電池板帶負載時，通過調節占空比，利用BOOST電路變換，實現阻抗匹配，能使太陽能電池工作在最大功率點，有效提升功率26%～31%。

太陽能；MPPT；擾動觀察法

1 光伏電池的輸出特性

太陽能電池組件的性能可以用 U-I曲線來表示。當外界因素（溫度、光照強度）不變時，這條曲線大致如圖：

圖1

由圖可知，光伏電池電壓—電流曲線存在唯一最大功率點，并對應唯一的光伏組件輸出電壓。因此，實際應用中為了提高光伏組件的光電轉換效率，就要對太陽能電池的最大功率點進行跟蹤。MPPT的實質是一個定期尋找最大值的過程，即通過調整光伏組件電壓電流，使其適應不同光照、溫度下實際工作點，動態地尋找全局最大功率點。

2 最大功率跟蹤方法

2.1 恒定電壓法

從光伏陣列的輸出特性曲線可以看到，當溫度保持不變的時候，光伏陣列在最大功率點處的工作點基本固定在某一個電壓值附近，即光伏陣列的大功率點電壓 和開路電壓有一種近似線性關系。輸出電壓始終在開路電壓值附近，就能保證光伏陣列的輸出功率在最大功率點附近，這就是恒定電壓法。這個方法原理比較簡單，容易實現，系統穩定性也比較高，也不會出現振蕩現象。但是，這種關系是近似的，存在誤差，溫度變化大的時候，偏移加大。并且周期性地采集開路電壓會影響太陽能電池的正常輸出，對于一些場合，這個方法是不可行的[2]。

2.2 擾動觀察法

擾動觀察法，是常用的方法之一。原理是，隔一定的時間給光伏陣列輸出電壓一個改變量，然后讀光伏陣列輸出功率的變化，根據變化情況決定下一時刻電壓的擾動方向，當輸出功率增加時，電壓應保持原來的擾動方向，當輸出功率減小時，則電壓應改變原來的擾動方向。擾動觀察法的優點有結構簡單，被測參數少，容易實現。

但是光伏系統在跟蹤到最大功率點附近時，仍然會不停地擾動，這樣就會造成工作點會在最大功率點附近發生振蕩。另一個問題是該算法中擾動步長的大小不好確定，若跟蹤的步長較小，則跟蹤速度緩慢，系統到達最大功率點附近的時間也較長，若跟蹤的步長較大，系統在最大功率點附近振蕩大。

2.3 增量電導法

增量電導法也是MPPT常用算法。其思路是先計算光伏陣列的功率相對于電壓的變化率，然后決定跟蹤方向。根據光伏陣列的功率電壓曲線，最大功率點左側的P-V曲線斜率大于零，這就確定下一步跟蹤方向為電壓增加。

否則，在右側曲線斜率小于零，電壓就是減小。該方法的優點是光伏電池的輸出端電壓能以平穩的方式變化。其電壓震蕩幅度相對擾動觀察法來說小很多。但是，這個控制算法實現起來相對復雜對硬件要求較高。檢測的精度和速度會影響跟蹤的精度和速度。也存在步長設置問題，若步長太大，則跟蹤的誤差會比較大，若步長較小，則跟蹤的速度會較慢。本質上和擾動觀察法是一種方法。

3 電路實現

利用Boost電路作為調整電路，設計如下：

圖2

主控芯片從PWM基極輸入一個可調占空比的導通信號，從而利用Boost電路調整電壓電流，選取12C5A60S2作為控制芯片，選用該芯片主要是因為這個芯片集成了較大的存儲，內部時鐘和ad轉換。通過選用內部時鐘，電路不需要外部晶振。AD轉換和PWM的輸出均可以用主控芯片的P1口實現。

圖3

MPPT的方法選用廣泛使用的擾動觀察法，為了克服跟蹤步長小，跟蹤速度緩慢，跟蹤步長大，系統在最大功率點附近振蕩的范圍較大的問題，編程時將步長與前后功率差值聯系，從而做到自動變步長，在功率相差較大時，可以快速粗略的調整，在功率相差較小時，可以精細調節。

實驗選用3塊5V1A的太陽能電池板并聯作為電源，在同一時間同一光照情況下發電，驅動相同的負載，通過電量計測量直接驅動，和接上優化電路板后驅動的功率，多次測量的結果表明，可以提升26%～31%的功率。

4 總結

PV組件的光電轉換特性具有非線性，并且在特定環境下總存在唯一的最大功率點。目前常用的MPPT方法有恒定電壓法、擾動觀察法和增量電導法。恒定電壓法實現簡單，但是實際使用較少。擾動觀察法和增量電導的跟蹤精度高，應用較廣泛。擾動觀察法有可能在最大功率點附近振蕩，光照強度突然變化時可能會發生誤判。后者跟蹤速度和穩定性相對較好。這兩種方法本質上是一致的。通過實驗，擾動觀察法可以提升大約26%～31%的功率[3]。

[1]朱拓斐，陳國定.光伏發電中 MPPT 控制方法綜述[J].電源技術，2011，35（10）：1322-1328

[2]陳圳，林立新.基于12C5A60S2的擾動觀察法MPPT電路[J].科研，2016（21）：139.

[3]李瀟瀟，趙爭鳴，鞠振河.基于分離式MPPT技術的BAPV并網電站優化設計與實驗研究[J].電氣技術，2013，14（2）：1-6.

Circuit Optimization Based MPPT Solar Power

Chen Zhen Lin Lixin

Information Science and Engineering，Central South University，Hunan Changsha 410000

Solar energy is inexhaustible green energy，solar photovoltaic power generation is a promising technology.However，the photovoltaic power generation efficiency is low，typically only about 16%.To solve this problem，from the load optimization perspective of MPPT PV were studied.The results show that when the solar panel with load，by adjusting the duty cycle using BOOST transform circuit，impedance matching，enabling solar cell operating at maximum power point，effectively increasing power 26~31%.

solar energy；MPPT；perturbation and observation method

TM615

A

1009-6434(2016)07-0031-02

陳圳（1996—），男，福建省，中南大學通信工程2013級本科生。