MPPT在礦用太陽能路燈的應用

楊立宏

摘 要：現在節能減排是全社會的共識，我國煤礦眾多，占地面積較大，實行三班倒工作制，職工人數多，廠區照明路燈需求量大，應用太陽能路燈可以節省大量的電能，安裝簡單，綠色環保，有著良好的經濟效益和廣闊的應用前景。太陽能電池一般都有明顯的非線性特性，如何提高整個光伏系統的轉化效率，使太陽能電池的輸出功率最大化一直是人們研究的關鍵點。該文討論了現在常用的太陽能電池最大功率點跟蹤控制法（MPPT）在礦用太陽能路燈的應用。

關鍵詞：節能減排 太陽能電池 最大功率點跟蹤控制法

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0027-02

現在大家日益重視節能減排，由于太陽能是一種資源豐富且無污染的能源，其研究利用引起各界的重視，許多公司都在加大投入研發利用太陽能。我國煤礦眾多，占地面積大，且位置偏遠，日照充足，所以，高性能的太陽能路燈必然在許多煤礦有著良好的經濟效益和廣泛的應用前景。

太陽能轉化成電能目前主要有兩個問題：第一，只要溫度和光照強度的變化都可能導致太陽能轉化功率產生較大的變化；第二，太陽能電池把光能轉換成電能的效率低。所以，太陽能光伏系統的基本要求是充分利用太陽能電池所產生的能量。該研究在光伏電池和蓄電池之間加設最大功率點跟蹤控制裝置，使發電系統輸出功率最大化，可以有效地利用太陽能。

1 MPPT工作原理

MPPT實現最大功率的方法有擾動觀察法、電導增量法、恒定電壓跟蹤法等，該設計采用擾動觀察法實現正常工作。采用擾動觀察法的優點是控制思路簡單易操作，實現比較的容易，實現了跟蹤并控制最大功率點，使得光伏系統的利用效率大大提高。

光伏電池的輸出功率和其工作電壓有關，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。

MPPT其實是一個自尋優的過程，當太陽能電池陣列特性和負載特性的交點位于陣列最大功率點相應電壓Um左邊時，MPPT的控制作用是提高太陽能電池工作電壓，而當兩者的交點在陣列最大功率點相應電壓Um右邊時，MPPT的控制作用是降低太陽電池工作電壓，圖1說明了這個控制的過程。日照強度和溫度在很大程度上影響著太陽能陣列的開路電壓和短路電流，整個系統輸出數據變化很大，肯定會降低系統的效率，所以，太陽能電池陣列必須實現最大功率點跟蹤控制，使得太陽能電池陣列在任何日照和溫度下持續輸出最大功率。

例如：日照強度為1 200 W/m2下，U=18 V，I=1 A；U=22 V，I=0.8 A；U=31 V，I=0.7 A；可見31 V的電壓下輸出功率最大。

MPPT控制器主要功能是把采集到的主回路的直流電壓和輸出電流，通過公式計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現對最大功率點的追蹤控制，圖2為應用擾動與觀察法來實現對最大功率點追蹤控制的示意圖。

串聯擾動電阻R和MOSFET，在輸出電壓基本穩定的情況下，通過不斷改變MOSFET的占空比，使得通過電阻的平均電流得到改變，最終引起了電流的擾動。于此同時，太陽能電池的輸出電流電壓也將隨著而變化，通過比較擾動前和擾動后太陽能電池輸出功率和電壓的變化，來控制后續周期的擾動方向的趨勢。如果擾動方向正確，光伏電池板輸出的功率將持續變大，下一周期則繼續朝同一方向擾動，增加輸出功率；反之，朝相反方向擾動。像這樣，循環執行擾動與觀察，以此來控制光伏電池板輸出達到最大功率。

2 硬件電路設計

該系統采用PIC16F877芯片為控制芯片，DC/DC升壓電路在最大功率點跟蹤裝置中起著調節太陽能輸出給蓄電池的電壓的作用，最大功率點跟蹤控制硬件接線圖如圖3所示。

在DC/DC升壓電路中，第一步通過并聯100 K，1 K電阻組成電路，并對1K電阻R1兩端進行A/D采集，采集電壓，間接得到輸出兩端電壓=101，電路右端輸出端電壓要求等于右端所需要電壓。通過=/（1-D），計算出D（的占空比），PWM1需要經過上拉電壓15 V和光耦開關組合后一起來控制。接著通過R3，R4組成的電路采集R4兩端電壓，間接可以得到=101，將與比較，就是調整實際的，使得D=D-△D或D=D+△D（△D等于PWM脈沖周期的4%），然后經過延時、采集、比較，直到得到精確的占空比D，能夠準確得到輸出電壓，使得，算出電路總電流I=/R5，所以，太陽能電池輸出總功率P=×I，用改變太陽能電池當時的輸出實際功率，來實現MPPT的正常工作。

3 軟件設計

該系統主要的控制作用都是由主控制軟件實現的，主要包括A/D采集模塊，MPPT模塊。系統重點在硬件設計，軟件設計相對較簡單，主程序流程圖如圖4所示。

4 結語

整個系統以PIC16F877單片機芯片為控制芯片來控制A/D采樣，DC/DC升壓，D/A轉換，采用最大功率點的跟蹤控制，實驗測試轉換效率由以前的8%左右提高到12%以上。對于我國許多煤礦，太陽能路燈具有節能、環保、安全、自動運行等特點，還可以成為礦區的一個亮化，有著廣闊的應用前景和良好的經濟效益。

參考文獻

[1] 歐陽名三，余世杰，沈玉梁，等.具有最大功率點跟蹤功能的戶用光伏充電系統的研究[J].農業工程學報，2003，19（6）：272-275.

[2] 周令琛，王曉偉.太陽能發電最大功率點跟蹤裝置的設計與實現[J].上海第二工業大學學報，2009，26（3）：176-182.

[3] 劉春，馬維華.基于ARM的太陽能發電控制系統的設計與實現[J].電子產品世界，2009，16（1）：56-59.