小功率光伏系统MPPT模拟控制电路概要

机电工程技术2010年第39卷第08期小功率光伏系统MPPT 模拟控制电路刘正奇，李继东（海军蚌埠士官学校，安徽蚌埠233012）收稿日期：2010－02－06，一些特殊场合无法安装大功率太阳能电池，方法不适用于小功率太阳能系统，根据太阳能电池功率点分布的特有规律，，采用模拟电路进行电压跟踪实现最大功率点跟踪的简便方法。

；模拟电路；DC ／DC 变换器文献标识码：A文章编号：1009－9492(201008－0079－031引言在太阳能光伏发电系统中，由于受环境因素的影响，其输出具有非线性特性，造成太阳能电池与负载之间不匹配，从而降低了太阳能电池的输出效率［1］。

为提高电能的利用率，最大功率点跟踪MPPT （Maxi-mum Power Point Tracking ）是一种有效的方法，目前国内外关于最大功率点跟踪技术已经有很多方法，如定电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法、二次差值法等［2－5］，这些控制方法各有其优缺点［6］。

太阳能光伏发电系统通常由太阳能电池组、蓄电池组、充放电控制设备等部分组成。

以前研究出的最大功率点跟踪方法中，对系统中各部分的动态模型参数设置过于复杂，导致这些方法的实现难度大；另外，以前的研究几乎都采用单片机作为最大功率点跟踪控制电路的核心元件，存在着静态功耗较高、程序运行错误可能等缺陷，对类似海上导航灯浮标等用途的小功率光伏发电系统实用性不强。

根据太阳能电池功率点分布的特有规律，结合高效开关电源变换技术，本文提出一种不需使用单片机、采用比较简单的模拟电路进行电压跟踪，从而实现太阳能电池最大功率点跟踪的简便方法。

2太阳能电池的功率分布特点太阳能电池受到的外界影响因素（温度、光照等）很多，且它的输出特性是非线性的。

图1为某太阳能电池的伏安（电压－电流）特性，图2为其伏瓦（电压－功率）特性［7］。

从图中可以看到，在常温下，200W ／m 2日照时，最大功率点发生在电压约为380V ；而1000W ／m 2日照时，最大功率点发生在电压为430V 附近，如图1（a ）和图2（a ）中的虚线所示。

（b ）相同日照不同温度图1太阳能电池的伏安特性（a ）常温不同日照机电工程技术2010年第39卷第08期从图2（a ）可以归纳得出：在某一日照下，太阳能电池的最大功率点发生在其开路电压的80％处。

需要说明的是，一般单晶硅和多晶硅太阳能电池都符合这个特性，但非晶型太阳电池的最大功率点在其开路电压的约68％处［8］。

这样一来要解决的问题似乎就比较简单了：对某块太阳能电池，只要先测出其开路电压，然后以此开路电压的80％为输出最大功率的标准电压，使用中始终保持这个电压就能输出最大功率。

其实不然！如图1（b ）和图2（b ）中的虚线所示：在同一日照下，温度为50℃时，太阳能电池的最大功率点发生在电压为380V ；温度为0℃时，最大功率点发生在电压为520V 。

随着日照和温度的变化，太阳能电池的开路电压也是不断改变的，在某一温度和照度条件下满足最大功率点条件，在另一温度和照度条件下则不能满足。

因此用固定的电压作为输出最大功率的标准电压不能满足太阳能电池在各种日照和温度下的最大功率输出要求。

3实现最大功率点跟踪的方法3．1MPPT 实现策略及电路组成由于太阳能电池的最大功率点电压约为开路电压的80％，所以只要测量出太阳能电池板工作当时日照和温度下的开路电压，以此开路电压的80％作为最大功率点电压，即可输出最大功率。

在工作过程中，由于日照和环境温度是不时改变的，因此，太阳能电池的开路电压也是随时变化的，MPPT 控制电路应每隔一段时间就再次测量太阳能电池的开路电压，并以新测得开路电压的80％作为最大功率点电压。

图3为MPPT 控制电路的示意图。

电路由开路电压取样电路、电压比较器、储能电容器和DC ／DC 变换器等组成。

3．2电路工作原理3．2．1开路电压的取样开路电压取样电路由定时脉冲产生器、取样电阻R1和R2、电压跟随器A1等构成。

定时脉冲产生器产生一定宽度的取样控制脉冲控制继电器J 的工作，K1和K2分别为继电器J 的常闭触头和常开触头，J 得电时，K1由闭合变成断开，切断太阳能电池的主供电回路，太阳能电池接近开路；K2则由断开变成闭合，这时电压跟随器A1输出的电压为：U o1＝U os R 212其中：U os 为太阳能电池的开路电压；U o1为电压跟随器A1的输出电压。

这个输出电压U o1反映了太阳能电池开路电压的大小，从而完成了对太阳能电池开路电压的取样。

为保证取样电压尽可能反映太阳能电池的实际开路电压，K 1（Q 1）断开时太阳能电池的负载电流要尽可能小，所以集成运算放大器和定时脉冲产生器等电路的电源由C2供电；考虑到取样期间太阳能电池并没有完全断开，U os 会图3MPPT 控制电路的示意图（b ）相同日照不同温度图2太阳能电池的伏瓦特性（a ）常温不同日照研究与开发机电工程技术2010年第39卷第08期比实际的开路电压略低，再考虑取样结束后C 1上的电压在保持期间会有微小下降等因素，R 1和R 2的取值应使取样电压U o1比理论值略高。

3．2．2取样电压的保持取样输出电压使电容C 1充电至U o1；取样完成后，取样控制脉冲结束，继电器J 失电，K2由闭合变成断开，电容器C 1保持取样电压U o1，在下一个取样脉冲到来前，C 1上的电压基本不变。

需要说明的是，为了使C 1上的电压在保持期间尽可能维持不变，电压比较器A2应选用高输入电阻的运算放大器，如TL082等采用场效应管作输入级的集成运放。

3．2．3储能及电压转换取样完成后，K1由断开恢复成闭合，接通太阳能电池主供电回路，太阳能电池对储能电容C2充电储能。

R3和R4为储能电压取样电阻。

随着充电的进行，C2上的电压逐渐升高，电压比较器A2的同相输入端的电位U i2也逐渐升高：U i2＝U c2R 434，其中：U i2为A2的同相输入端电位；U c2为储能电容C2上的电压。

由于太阳能电池的输出受到光强、温度等因素的影响，要输出最大功率，必须采用DC ／DC 变换器将C2上储存的电能进行电压转换后对蓄电池充电［9］。

当U i2上升至高于U o1时，A2输出高电平，控制DC ／DC 变换器工作，将C2上储存的电能转换成合适的电压和电流对蓄电池充电。

这时，储能电容C2一方面接受太阳能电池来的充电电流，同时也在为DC ／DC 供电而放出电流，设置DC ／DC 工作电流略大于从太阳能电池来的充电电流，这样C2总的来说处于放电状态；随着放电的进行，C2两端的电压逐渐下降，U i2也跟着下降，当U i2下降到低于U o1时，A2输出低电平，DC ／DC 停止工作；这时储能电容C2上只有太阳能电池来的充电电流，C2两端的电压逐渐上升，储能增加U i2也跟着上升；当U i2再次上升至高于U o1时，A2再次输出高电平控制DC ／DC 变换器将C2上储存的电能转换成对蓄电池的充电电流；如此周而复始。

R5为电压比较器A2的回差反馈电阻，决定电压比较器的回差范围，使电压比较器A2在U i2略高于U o1时输出高电平，在U i2略低于U o1时输出低电平［10］。

R5的值越大，回差范围则越小，太阳能电池越接近最大工作点。

但过窄的回差范围会使DC ／DC 变换器频繁通断，选择容量较大的储能电容C2时，电压比较器A2可以选择较小的回差范围，这样可以使太阳能电池尽可能工作在接近最大功率点处。

3．2．4取样电阻的设置条件当满足条件：U o1＝U i2，U os R 212＝U c2R 434，U R12＝0．8U R34，即：R12＝0．8R34时，能使C2上的电压U c2始终保持在0．8U os 上下，C2就可以从太阳能电池得到最大功率。

3．3几个具体问题（1）DC ／DC 变换器的工作电流应略大于太阳能电池的峰值电流，保证在最强自然光照下DC ／DC 变换器工作有间隙，这样才能不浪费太阳能电池输出的能量。

当然，采用PWM 控制充电电流的DC ／DC 变换器更加有利，在最大功率点附近的电压区间，C2上电压较高时电流较大，C2上电压较低时电流较小，DC ／DC 变换器工作可以没有间隙，使储能电容C2上的电压较准确地跟踪最大功率点电压。

（2）K1和K2的动作次序。

K1为常闭触头，K2为常开触头，在开始对开路电压取样时，两个触头的动作次序应为K1先断开、K2后闭合；在结束取样转到正常工作状态时，触头的动作次序应为K2先断开、K1后闭合。

用电磁继电器的一对机械触头很容易实现这样的动作次序，而如果K1、K2采用电子开关则应注意设置动作延迟，否则得不到正确的开路电压取样值。

图四电路中用Q1和Q2两只PMOS 场效应管作电子开关代替K1和K2，采用一只非门电路作反相和延迟，可以做到取样结束转到正常工作状态时电子开关的动作次序为Q2先断开、Q1后闭合，保证取样电压正确反映太阳能电池的开路电压。

但在开始对开图4PMOS 管作电子开关的MPPT 控制电路示意图（下转第156页）机电工程技术2010年第39卷第08期路电压取样时，电子开关的动作次序为Q2先闭合、Q1后断开，这时电容C1上的电压（反映开路电压的分压值）建立时间会略微延长，所以定时脉冲产生器输出的控制脉冲宽度也应略微加宽。

（3）取样控制脉冲的宽度及重复周期的选择。

为使取样电压尽可能反映太阳能电池开路电压的变化，取样控制脉冲的重复周期越短越好，但考虑到重复周期过短时会频繁取样而断开主充电回路造成能量损失，并且自然光照条件下太阳能电池开路电压短时间内不会变化太大，所以取样控制脉冲的重复周期不必太短，以数分钟一次为宜；在保证C1取得比较准确的开路电压分压值的前提下，定时脉冲产生器产生的控制脉冲的宽度应尽量窄，这样才能使K1断开的时间短、取样期间损失的能量尽可能少。

（4）尽量减少电路自身的功耗。

最大功率跟踪的目的是从小功率太阳能电池获得尽可能大的输出功率，MPPT 控制器自身的功耗应尽可能小，否则得不偿失。

所以电路应采用微功耗元件和高效率DC ／DC 变换器。

目前DC ／DC 变换器的转换效率可以达到85％～95％［11］，用ON ／OFF 端控制其处于关断状态时的静态电流约为几百μA ，如MAX5082降压型DC ／DC 集成电路的典型关断电流为200μA ，最大关断电流为300μA 。

采用MOS 场效应管作电子开关代替继电器也可以降低功耗。

4结语采用简易的模拟电路构成的MPPT 控制器可以免除单片机电路静态功耗较大、程序运行异常等缺陷，近似实现太阳能电池的最大功率输出，具有价格低、连接简单等优点，宜于在灯浮标等小功率应用场合推广。

参考文献：［1］江小涛．太阳电池最大功率点跟踪研究［J ］．通信电源技术，2005（4）：33－35．［2］雷元超．光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究［J ］．电工电能新技术，2004（3）：32－35．［3］陈兴峰．光伏发电的最大功率跟踪算法研究［J ］．可再生资源，2005（1）：8－11．［4］唐敏．一种太阳能电池最大功率点跟踪的算法研究［J ］．通信电源技术，2007（4）：12－13．［5］赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等．太阳能光伏发电及其应用［M ］．北京：科学出版社，2005．［6］崔岩，蔡炳煌，李大勇，等．太阳能光伏系统MPPT 控制算法的对比研究［J ］．太阳能学报，2006（6）：535－539．［7］欧阳名三．采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器［J ］．电子科技，2002（12）：753－755．［8］胥绍禹．太阳电池应用技术．电子报合订本［Z ］．2006．［9］卢琳，殳国华，张仕文．基于MPPT 的智能太阳能充电系统研究［J ］．电力电子技术，2007（2）：96－98．［10］赵建武，茆有柏．模拟电子技术［M ］．北京：机械工业出版社，2007．［11］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计（修订版）［M ］．北京：电子工业出版社，2004．第一作者简介：刘正奇，男，1962年生，江苏宜兴人，大学本科，副教授。