光伏发电最大功率跟踪控制器的设计方案

本文由松下野狐他哥贡献 pdf文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 新能源专题 光伏发电最大功率跟踪控制器的设计 白连平 1 白 实2 （1.北京信息科技大学自动化学院，北京 100192； 2.瑞萨电子（上海）有限公司北京分公司，北京 100190） 摘要 针对目前太阳能发电系统效率低的问题，本文利用微控制器设计了一种太阳能光伏发 电最大功率跟踪控制器。该控制器采用升降压式 DC/DC 转换电路，利用电压扰动法实现最大功率 点跟踪，使太阳能光伏电池始终保持最大功率输出；控制器还能实时测量蓄电池的端电压，对蓄 电池进行充放电保护。该控制器软硬件结合、可靠性高，提高了太阳能光伏发电系统效率，并延 长了蓄电池使用寿命。 关键词：太阳能光伏电池；最大功率点跟踪；DC/DC 转换电路；电压扰动法 Design of Solar Controller with Maximum Power Tracking Bai Lianping1 Bai Shi2 (1.School of Automation, Beijing Information Science &Technology University, Beijing 100192； 2.Renesas Tehnology (Shanghai) Co., Ltd, Beijing Branch, Beijing 100190) Abstract In view of the low efficiency of solar photovoltaic system, short service life of the lead-acid battery and other issues，designed a solar controller using microcontroller MC9S08QG8. The controller uses Buck-Boost DC/DC conversion circuit and voltage perturb algorithm to achieve maximum power point tracking, and maintains the largest output of the solar cell. The controller also measures the battery voltage, and achieves the battery charge and discharge protection. The controller integrates software and hardware, has high reliability, increases solar photovoltaic system efficiency and extends battery life. Key words：solar controller；MPPT；DC/DC conversion circuit；voltage perturb algorithm 1 引言 制器采用微控制器来实现最大功率点的跟踪控制， 有效地提高了太阳能电池的输出效率。 太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源，它 无污染、无噪声、取之不尽、用之不竭，日益被人 们重视，太阳能光伏发电得到广泛地应用。但是太 阳能光伏电池的输出特性受负载大小、环境温度、 日照强度等因素的影响，太阳能光伏电池输出的电 压和电流均发生很大的变化，从而使输出功率不稳 定，导致光伏发电系统效率降低。因此如何进一步 提高太阳能光伏电池的转换效率，充分利用光伏阵 列所转换的能量，一直是太阳能光伏发电系统研究 的重要课题。 本文对太阳能电池的输出特性进行了分析，研 究了最大功率点跟踪的控制原理和控制算法，设计 制作了太阳能光伏发电最大功率跟踪控制器，该控 2 太阳能电池输出特性 太阳能电池输出特性是非线性的，受外界多种 因素影响，主要因素是光照强度和环境温度。太阳 能电池伏安特性曲线如图 1 所示。 从图 1 可以看出，当环境温度为 25℃时，太阳 能电池的输出电流和电压随着光照强度的增大而增 大；而当日照强度不发生变化时，太阳能电池的输 出电压会随着温度的升高而降低。 图 2 是太阳能电池伏瓦特性曲线。可以看出， 环境温度一定时，光照强度越大，太阳能电池输出 的功率也越大；相反光照强度不变时，环境温度越 高，太阳能电池输出的功率越小。我们可以得到结 104 2009 年第 8 期 本资料来源于网络，版权归原著作所有，禁止使用于一切商业行为，仅供交流学习用！请在下载后24小时内删除！ 新能源专题 论：在不同的环境下，太阳能电池输出曲线是不同 的， 最大功率点随着光照强度和温度的变化而变化。 因此为了提高太阳能电池的发电效率，就要对太阳 能电池最大功率点进行跟踪。 图3 太阳能发电系统框图 （a）相同温度不同光照 太阳能控制器包括 DC/DC 转换电路、微控制 器、电压电流检测、驱动电路和充放电保护电路等 电路单元。该控制器采用低功耗、高性能 8 位微控 制器 MC9S08QG8，电压电流检测电路采集到的模 拟信号经 A/D 端口送入微控制器进行分析计算，微 控制器通过驱动电路输出 PWM 脉冲控制信号调节 DC/DC 转换电路内部开关管的通断， 实现对转换电 路输出电压及电流的控制。控制器还能实时测量蓄 电池的端电压，对蓄电池进行充放电保护，防止蓄 电池过充或过放。 （b）相同光照不同温度 图1 太阳能电池 U-I 特性曲线 4 4.1 最大功率点跟踪的实现 （a）相同温度不同光照 最大功率点跟踪控制原理 DC/DC 转换电路是接在直流电源和负载之间， 通过控制电压的方法将不可控的直流输入变为可控 的直流输出的一种变换电路，它被广泛的应用于逆 变系统、开关电源和用直流电动机驱动的设备中。 本文设计的太阳能控制器通过采用升降压式 DC/DC 转换电路， 将太阳能电池的不可控输出电压 转换成可控的输出电压。 升降压式 DC/DC 转换电路是输出电压既可高 于又可低于输入电压的单管不隔离直流转换电路。 如图 4 所示，主电路由开关管 Q、二极管 D、电感 L 和电容 C 等构成，其输出电压极性与输入电压极 性相反。 （b）相同光照不同温度 图2 太阳能电池 P-U 特性曲线 3 太阳能光伏发电系统概述 太阳能光伏发电系统主要由光伏板、太阳能控 制器、蓄电池和负载 4 部分构成。其中太阳能控制 器是整个系统的核心部分，主要完成最大功率点跟 踪（MPPT） 、蓄电池的充电、负载的供电和蓄电池 保护等功能，其性能的好坏直接决定了整个光伏系 统的性能。系统框图如图 3 所示。 图4 升降压式 DC/DC 转换电路 从图 4 可以看出， 当开关管 Q 处于导通状态时， 二极管 D 截止，电源给电感 L 充电。 VL 可以表示为 VL = Vi ? I L Rl （1） 因为导通的时间 Ton 很短，所以有 2009 年第 8 期 105 本资料来源于网络，版权归原著作所有，禁止使用于一切商业行为，仅供交流学习用！请在下载后24小时内删除！ 新能源专题 diL V ， ΔI L = L ×Δ T （ 2） dt L V ? I × RL 将式 1） （ 代入式 2） 有 ΔI L + = i L （ ， × TON L 当开关管 Q 处于截止状态时，二极管 D 导通， 电感 L 放电。 VL = L × VL = ?VO + VD + I L × RL 程框图见图 5。 （ 3） 将式（ 3）代入式（ 2） ，有 ?VO + VD + I L × RL ΔI L ? = × TOFF L 根据能量守恒定律有 ?V + VD + I L × RL Vi ? I L × RL × TON = O × TOFF L L 可以得到 VO = ? Vi × TON T ? VD ? I L × RL × TOFF TOFF （ 4） 其中， T = TON + TOFF 。 T 用占空比 D 代替 ON ，式（ 4）可以表示为 T I × RL D VO = ? Vi × ? VD ? L 1? D 1? D 因为二极管上的压降 VD 和电感的等效电阻 RL 可以近似为 0，上式可以简化为 D （ 5） VO = ?Vi × 1? D 从式（ 5）可以看出当 D=0.5 时， VO = Vi ；当 V V D<0.5 时， O < Vi ； 0.5 Vi ， DC/DC 当 即 转换电路的输出电压即可高于又可低于输入电压。 因此只要根据输入电压，通过调节开关管 Q 的占空 比， 可以将不可控的直流输入变成可控的直流输出， 因此利用 DC/DC 转换电路的这一特点可以实现最 大功率点跟踪（ MPPT） 。 4.2 跟踪控制方法设计 为了实现最大功率点跟踪功能，本文采用电压 扰动法，原则是电压的变化始终是让太阳能电池输 出功率朝大的方向改变。电压扰动法简述如下：太 阳能控制器在每个控制周期用较小的步长改变太阳 能电池的输出，方向可以是增加也可以是减小。然 后，比较干扰周期前后太阳能电池的输出功率，如 果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继 续“干扰”过程，如果检测到输出功率减小，则改 变“干扰”方向。这样，太阳能电池的实际工作点 就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一 个较小范围往复达到稳态。最大功率点跟踪控制流 图5 MPPT 控制流程框图 5 太阳能控制器硬件电路设计 控制器主体电路如图 6 所示，采用微控制器 MC9S08QG8 作为核心控制单元， 使用 MOS 管作为 充放电控制管和保护管，减少了系统功耗和开关工 作速度。为可靠地检测到太阳能电池的输出电压和 电流、DC/DC 转换电路的输出电流，采用直流侧电 压检测电路；转换电路的输出电压和蓄电池的端电 压用电阻分压法进行采集，以上采集到的五个模拟 电压信号通过 A/D 端口送入微控制器。由于肖特基 二极管比普通二极管具有管压降低、功耗小、电荷 储能效应小等特点，所以电路中采用肖特基二极管 D2 作为防反充二极管， 防止蓄电池向太阳能电池反 向充电。 控制器通过控制 DC/DC 转换电路的内部开 关管 Q1 的通断，可以控制蓄电池的充电过程；在 蓄电池和负载间串联开关管 Q2， 当蓄电池电压小于 放过电压时，切断蓄电池与负载间的回路，防止蓄 电池的过放；只有当蓄电池电压重新升到正常电压 范围内，开关管 Q2 才会重新导通。 5.1 微控制器电源变换电路 受控制器体积和成本的限制，以微控制器为核 心的控制电路的电源直接通过蓄电池端电压变换得 来，