太阳能光伏发电最大功率跟踪控制器的设计分析

廖春华

广东保威新能源有限公司528000

摘要：目前，绿色可再生能源得到广泛应用，太阳能光伏发电以其独特优势得到青睐。由于太阳能光伏组件输出功率非常容易受光照强度和温度等环境因素影响，为充分利用光伏组件输出功率，必须使输出功率始终保持最大，即实时跟踪光伏组件的最大功率，因此，对最大功率跟踪的研究尤为必要。

关键词：太阳能光伏发电；最大功率点跟踪；DC/DC转换电路

引言

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。

一、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1所示。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。

图1太阳能发电系统框图

二、光伏电池的最大功率跟踪设计

因为光伏电池在电流输出的整个过程中，输出的电流总量和输出效率是受到阳光强度、环境温度以及电力负载等多方面影响。只有在一定条件的温度和光照强度下才能保证光伏电池稳定地输出电压，当电池工作达到某个特殊的电压时能实现光伏电池功率的最大值输出，从而达到电压曲线的最高点，这个点也被称为光伏电池的最大功率点。所以在进行光伏发电的过程中要提高发电系统的整体效率，其中一个非常重要的方法就是对光伏电池的工作点进行全时段调整，保证光伏电池的工作始终处于最大功率点，这一工作过程就是光伏电池的最大功率点跟踪，因为目前的光伏电池的整体价格和相关成本都特别高，在整个光能发电系统中的整体投资中光伏电池成本占较大比例，因此提高光伏电池的使用效率就是降低发电系统的整体投资总量。光伏电池在进行工作的过程中产生的电压会因为光照强度和环境温度的变化而断发生变化，最大功率跟踪的目的就是通过控制光伏电池的最大功效点电压实现光伏电池各种环境中部能够输出最大的功率，在光伏电池最大功率的左边电池的输出功率和电压的变化成正相关，在光伏电池最大功率的右边电池的输出功率和电压的变化成反比而在这个调试过程中就要做好调试工作，其中MPPT控制的主要作用就是当光伏电池的输出功率最大功率点在左边时会使得光伏电池的实际工作电压升高，从而逼近输出的最大功率点。当最大功率点在电流输出点的左边时会使得光伏电池的总体电压降低，从而实现逐渐靠近最大功率点。

MPPT的工作能够实质实际上是一个自动寻找最优化输出点的工作过程，通过光伏电池矩阵寻找最佳电流和电压的组合，以此得到最佳的排列功率输出从而和之前的功率进行比较，这样反复进行比对，知道找出该组电池的最大功率点。在找出最大功率点之后记录好周围和环境因素，如气温、气压等同时做好相关记录，做出该最大功率点对应的实际情况，在日后进行光伏电池组装的过程中进行合理的利用，在遇到情况和记录情况相似或相同时就直接采用记录的情况进行设置，从而实现最大功率的输出，提高光伏电池的输出效率，降低光电生产的中体成本。

三、太阳能光伏发电最大功率点跟踪的设计

3.1最大功率点跟踪实现原理

在太阳能光伏发电自动跟踪系统中，为了能充分利用太阳能，必须考虑使其工作在最佳状态，即要使其工作在最大功率点上。太阳能电池的最大功率点跟踪原理就是通过控制太阳能电池的端电压U，使太阳能电池在不同的辐照强度和温度环境下智能化地输出最大功率。由于太阳能电池的开路电压和短路电流受温度和辐照强度的影响，其系统的工作点会在最大功率点附近来回波动，从而导致整个系统的效率下降。为解决上述问题，太阳能电池必须实现最大功率点的跟踪控制，以便在不同辐照强度下获得最大功率的输出。

为了能实时得到最大功率点，太阳能控制器需要对光伏发电系统的输出电压和输出电流进行准确采样。因为输出电压和电流的乘积即为当前的输出功率，因此将此时刻的输出功率与前一时刻相比较，通过调节PWM的占空比，使太阳能板始终工作在最大功率点。本文设计的太阳能控制器通过采用升降压式DC—DC变换电路，将太阳能板的不稳定电压通过DC—DC变换后输出稳定的直流电压。图2为升降压DC—DC变换电路拓扑结构，其主电路由开关管s、二极管D、电感L和电容c等构成。

图2升降压DC—DC变换电路拓扑结构

由图2可看出，当开关管s处于导通状态时，二极管D截止，太阳能电池给电感L充电，其输出电压与输入电压之间的关系为

（1）

式中：——太阳能电池的输入电压；

——输出电压；

D——占空比。

3.2最大功率点跟踪控制方法设计

为了实现最大功率点的跟踪控制，本文采用变步长占空比扰动法。在太阳能光伏发电系统中，太阳能板和负载之间的接口通常采用PWM型的DC—DC变换器。在这种变换电路的结构中，占空比D是可控的变量。因此，只需通过控制DC=DC变换器开关管的占空比D，即根据功率的变化在线自动调节占空比的变化量，从而调整太阳能电池的输出功率，使其始终输出最大。占空比D的大小决定了太阳能板输出功率P的大小，要使太阳能电池的功率输出最大，就要满足dP／dD=0。当dP／dD>0时，系统工作在最大功率左边；当dP／dD<O时，系统工作在最大功率点右边。然而，在占空比扰动法中，占空比D的调整仍存在步长的择优问题。若步长过大，虽然跟踪速度较快，但在最大功率点附近的波动就大；若步长过小，虽然在最大功率点附近的稳态波动小，但跟踪速度则较慢，无法适应外部环境的快速变化。因此，本文选用变步长的方法搜索步长，其优点是精度高、稳态波动小。其流程图如图3所示。

图3变步长占空比扰动法流程图

四、结束语

为提高光伏发电系统的效率，设计一种太阳能光伏发电最大功率点跟踪控制器。该控制器采用升降压式DC—DC变换电路，利用变步长占空比扰动法实现最大功率点跟踪。

参考文献：

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