最大功率跟踪控制方法及装置

太阳能光伏发电的最大功率跟踪控制方法及装置
1本项目主要的研究内容
（1）光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究：传统的MPPT控制算法各自都存在一些不足之处,为了改善最大功率点的跟踪效果，将各种传统MPPT方法综合起来使用，相互取长补短。

把固定参数法、扰动观察法和电导增量法相结合得到的复合MPPT算法。

对复合MPPT控制算法结合相关文献资料进行研究，利用MATLAB进行仿真，建立多种模型，比较仿真结果，关注模型的简单性和跟踪时间和效果，并把模型移植到硬件平台进行调试。

（2）搭建基于单片机的光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置，实现光伏发电系统最大功率点跟踪和控制以及直流变换等功能，提高光伏阵列的输出功率。

光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置示意图1所示。

图1 光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置示意图
（3）光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置通过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最大功率点跟踪算法分析计算后，微控制器通过驱动模块输出PWM（脉宽调制）脉冲控制信号调节DC/DC变换器中内部开关管的通断，实现对转换电路输出电压及电流的控制。

（4）光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置中设计保护模块，可以对电路进行过压和过流保护，提高装置的安全可靠性。

1.2拟解决的关键问题：
（1）复合MPPT算法的简化和跟踪时效；
（2）复合MPPT算法在硬件产品的应用实现；
（3）光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置的在复杂情况下的可靠性；
2.方案的设计与可行性分析
最大功率点跟踪控制原理：对于一个线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，电源输出功率最大。

虽然太阳能电池和DC/DC转换电路都是非线性的，但是在其工作点附近很小的范围内，可以将它们看作是线性电路。

因此，只要调节DC/DC转换电路的等效电阻，使之与太阳能电池的串联电阻始终等于负载电阻，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输出，也就实现了太阳能电池的最大功率跟踪。

若将太阳能电池通过变换器与负载连接，太阳能电池的工作点则由负载限定。

当负载不可以调节时，由下图可知，太阳能电池在A点的输出功率小于在最大功率点的输出功率。

通过调节输出电压，将负载电压调节到Ur处，使负载上的功率从A点移到B点。

而B点与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此太阳能电池此时有最大功率输出。

本文采用固定电压法的控制策略
固定电压法是利用太阳能光伏电池输出最大功率时工作电压与开路电压存在近似的比例关系这一特性进行控制的一种最大功率点跟踪控制方法。

图2所示为不同情况下最大功率点电压和开路电压的关系曲线。

由图2可知，最大功率点电压和开路电压的比例系数M。

约为0.76，并且在外界温度和条件发生变化时，这个比例系数的变化不大，图中的实测点和拟合直线，误差在10%以内。

图2 最大功率点电压与开路电压的关系示意图
本方案所采用的太阳能电池阵列额定输出电压在19V附近，而经过转换电路降压后的输出电压为14.5V，刚好可以供12V的蓄电池充电。

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。

降压式DC/DC转换电路是输出电压低于输入电压的单管不隔离直流转换电路。

如图3所示，主电路由开关管Q、二极管D、电感L和电容C等构成。

图3 升降压式DC-DC转换电路
通过输出电压的关系式可以看出，在输入电压或负载变化，要保证输出电压保持稳定时，可以采用两种方案。

第一可以维持开关管的截止时间TOFF 不变，通过改变脉冲的频率f 来维持输出电压U0的稳定，这便是脉冲频率调制（PFM ）控制方式DC-DC 变换器；第二可以保持脉冲的周期T 不变，通过改变开关管的导通时间TON ，即脉冲的占空比q ，以实现输出电压的稳定，这就是脉宽调制（PWM ）控制方式DC-DC 变换器。

由于目前已经有各种型号的集成PWM 控制器，所以DC-DC 变换器普遍采用PWM 控制方式。

至于PWM 波将由AVR 系列单片机控制输出。

这种控制方法的优点是控制简单，稳定性和经济性比较好。

缺点是：当季节温差变化较大时，
Um 值也有较大的变化，常需根据季节变化对定电压控制的U m 值进行相应调整。

由于太阳能电池的伏安特性曲线dU /dI 在最大功率点左侧变化很大，负载电流的微小扰动都会使阵列电压有较大的波动，如果系统的电压调整响应速度不快，会造成直流母线欠压并引起系统保护，从而造成系统工作不稳定。

因此在恒电压控制的电压闭环控制时，要求系统有较快的响应速度。

3主要单元电路设计
1、DC-DC 降压变换器主回路设计
该升压电路结构选择图1所示的电路。

该变换电路设计主要是确定关键元件：输出滤波电容C 、电感L 、开关管VT 和二极管D 。

（1） 输出滤波电容的选择
假如输出滤波电容C 必须在VT 导通的T ON 期间供给全部负载电流，设在T ON 期间C 上的电压降≤△U 0，△U 0为要求的纹波电压。

则00U T I C ON ∆≥ ，又因为T U U U T I ON 0
-=，所以 0
000)(U U f U U I C I ∆⋅⋅-≥，选择开关频率等于50KHz ，在本设计给定的条件及要求下，计算输出滤波电容的值为：10μF ，实际选择100μF/50V 的电容。

（2） 储能电感的选择
根据电路的工作波形，电感电流包括直流平均值和纹波分量两部分。

假若忽略电路的 内部损耗，则变换器的输出能量和变换器的输入能量相等，即00I U I U I I =，所以LV OFF
I I I T T I U U I I ===000，即从电源取出的平均电流也就是流入电感的平均电流。

电感电流的纹波分量是三角波，在T ON 期间，电流的增量为L
T U I ON I =∆+；在T OFF 期间，电流将下降，其减少量为L
T U U I OFF I )(0-=∆-；在稳态下，I I ∆-=∆+。

在选择△I 时，一般要求电感的峰值电流不大于其最大平均电流的20%，以免使电感饱和；同时流过电感中的电流最小值也应大于或等于零。

实际设计时，选择电感电流的增量
I ON I I L T U I 4.1≤=∆，所以020*******.1)(4.1)(4.1I U f U U U U f U I U U U U I T U L I I I
I I I ON I ⋅⋅-≥⋅⋅-≥≥，在开关频率选择50kHz 和给定的条件及要求下，计算电感量为42μH ，实际选择100μH/2A 的电感。

电感可以买成品也可自己绕制。

（3） 开关管的选择
开关管VT 在电路中承受的最大电压是U 0，考虑到输入电压波动和电感的反峰尖刺电 压的影响，所以开关管的最大电压应满足＞1.1×1.2U 0。

实际在选定开关管时，管子的最大允许工作电压值还应留有充分的余地，一般选择（2~3）1.1×1.2U 0。

开关管的最大允许工作电流，一般选择（2~3）I I 。

开关管的选择，主要考虑开关管驱动电路要简单、开关频率要高、导通电阻要小等。

本设计选择N 沟道功率场效应管IRF3205，该器件的V DSM =55V ， 导通电阻仅为8mΩ，I DM =110A ，完全满足设计要求。

（4） 续流二极管的选择
在电路中二极管最大反向电压为U 0，流过的电流是输入电流I I ，所以在选择二极管时， 管子的额定电压和额定电流都要留有充分大的余地。

另外选择续流二极管时还要求导通电阻要小，开关频率要高，一般要选用肖特基二极管和快恢复二极管。

本设计选用MBR10100CT ，其最大方向工作电压为100V ，最大正向工作电流为10A ，完全满足设计要求。

说明：循环充电时，充电器提供的最高电压应有限制，6V 电池的充电电压为7.2—7.5V ，12V 电池充电电压为14.4—15V ，充电最大电流不大于额定容量值的30％A （比如2A ．H 的蓄电池最大充电电流不能大于2×0.3＝0.6安培）；以10小时充电率为宜（比如2A ．H 的蓄电池以0.2安培为宜），若充电电流过大，则蓄电池易发热，造成极板脱落、断裂、短路以致造成爆炸、燃烧等事故。

4.硬件实现部分
本方案将重点放在最大功率控制器上，对于蓄电池的保护电路将采用现成的充放电控制器，而在太阳能阵列与充放电控制器之间连接上最大功率控制器。

图4 直流照明小系统最终完成的原理图如下：。