基于MPPT的太阳能功率优化电路研究

陈 圳 林立新



基于MPPT的太阳能功率优化电路研究

陈 圳 林立新

中南大学信息科学与工程学院，湖南 长沙 410000

太阳能是取之不尽、用之不竭的绿色能源，太阳能光伏发电是目前很有前景的发电技术。但是，光伏发电效率较低，通常只有16%左右。为了解决这一问题，研究从负载端优化的角度，对光伏发电的最大功率跟踪进行了研究。结果表明，当太阳能电池板带负载时，通过调节占空比，利用BOOST电路变换，实现阻抗匹配，能使太阳能电池工作在最大功率点，有效提升功率26%～31%。

太阳能；MPPT；扰动观察法

1 光伏电池的输出特性

太阳能电池组件的性能可以用 U-I曲线来表示。当外界因素（温度、光照强度）不变时，这条曲线大致如图：

图1

由图可知，光伏电池电压—电流曲线存在唯一最大功率点，并对应唯一的光伏组件输出电压。因此，实际应用中为了提高光伏组件的光电转换效率，就要对太阳能电池的最大功率点进行跟踪。MPPT的实质是一个定期寻找最大值的过程，即通过调整光伏组件电压电流，使其适应不同光照、温度下实际工作点，动态地寻找全局最大功率点。

2 最大功率跟踪方法

2.1 恒定电压法

从光伏阵列的输出特性曲线可以看到，当温度保持不变的时候，光伏阵列在最大功率点处的工作点基本固定在某一个电压值附近，即光伏阵列的大功率点电压 和开路电压有一种近似线性关系。输出电压始终在开路电压值附近，就能保证光伏阵列的输出功率在最大功率点附近，这就是恒定电压法。这个方法原理比较简单，容易实现，系统稳定性也比较高，也不会出现振荡现象。但是，这种关系是近似的，存在误差，温度变化大的时候，偏移加大。并且周期性地采集开路电压会影响太阳能电池的正常输出，对于一些场合，这个方法是不可行的[2]。

2.2 扰动观察法

扰动观察法，是常用的方法之一。原理是，隔一定的时间给光伏阵列输出电压一个改变量，然后读光伏阵列输出功率的变化，根据变化情况决定下一时刻电压的扰动方向，当输出功率增加时，电压应保持原来的扰动方向，当输出功率减小时，则电压应改变原来的扰动方向。扰动观察法的优点有结构简单，被测参数少，容易实现。

但是光伏系统在跟踪到最大功率点附近时，仍然会不停地扰动，这样就会造成工作点会在最大功率点附近发生振荡。另一个问题是该算法中扰动步长的大小不好确定，若跟踪的步长较小，则跟踪速度缓慢，系统到达最大功率点附近的时间也较长，若跟踪的步长较大，系统在最大功率点附近振荡大。

2.3 增量电导法

增量电导法也是MPPT常用算法。其思路是先计算光伏阵列的功率相对于电压的变化率，然后决定跟踪方向。根据光伏阵列的功率电压曲线，最大功率点左侧的P-V曲线斜率大于零，这就确定下一步跟踪方向为电压增加。

否则，在右侧曲线斜率小于零，电压就是减小。该方法的优点是光伏电池的输出端电压能以平稳的方式变化。其电压震荡幅度相对扰动观察法来说小很多。但是，这个控制算法实现起来相对复杂对硬件要求较高。检测的精度和速度会影响跟踪的精度和速度。也存在步长设置问题，若步长太大，则跟踪的误差会比较大，若步长较小，则跟踪的速度会较慢。本质上和扰动观察法是一种方法。

3 电路实现

利用Boost电路作为调整电路，设计如下：

图2

主控芯片从PWM基极输入一个可调占空比的导通信号，从而利用Boost电路调整电压电流，选取12C5A60S2作为控制芯片，选用该芯片主要是因为这个芯片集成了较大的存储，内部时钟和ad转换。通过选用内部时钟，电路不需要外部晶振。AD转换和PWM的输出均可以用主控芯片的P1口实现。

图3

MPPT的方法选用广泛使用的扰动观察法，为了克服跟踪步长小，跟踪速度缓慢，跟踪步长大，系统在最大功率点附近振荡的范围较大的问题，编程时将步长与前后功率差值联系，从而做到自动变步长，在功率相差较大时，可以快速粗略的调整，在功率相差较小时，可以精细调节。

实验选用3块5V1A的太阳能电池板并联作为电源，在同一时间同一光照情况下发电，驱动相同的负载，通过电量计测量直接驱动，和接上优化电路板后驱动的功率，多次测量的结果表明，可以提升26%～31%的功率。

4 总结

PV组件的光电转换特性具有非线性，并且在特定环境下总存在唯一的最大功率点。目前常用的MPPT方法有恒定电压法、扰动观察法和增量电导法。恒定电压法实现简单，但是实际使用较少。扰动观察法和增量电导的跟踪精度高，应用较广泛。扰动观察法有可能在最大功率点附近振荡，光照强度突然变化时可能会发生误判。后者跟踪速度和稳定性相对较好。这两种方法本质上是一致的。通过实验，扰动观察法可以提升大约26%～31%的功率[3]。

[1]朱拓斐，陈国定.光伏发电中 MPPT 控制方法综述[J].电源技术，2011，35（10）：1322-1328

[2]陈圳，林立新.基于12C5A60S2的扰动观察法MPPT电路[J].科研，2016（21）：139.

[3]李潇潇，赵争鸣，鞠振河.基于分离式MPPT技术的BAPV并网电站优化设计与实验研究[J].电气技术，2013，14（2）：1-6.

Circuit Optimization Based MPPT Solar Power

Chen Zhen Lin Lixin

Information Science and Engineering，Central South University，Hunan Changsha 410000

Solar energy is inexhaustible green energy，solar photovoltaic power generation is a promising technology.However，the photovoltaic power generation efficiency is low，typically only about 16%.To solve this problem，from the load optimization perspective of MPPT PV were studied.The results show that when the solar panel with load，by adjusting the duty cycle using BOOST transform circuit，impedance matching，enabling solar cell operating at maximum power point，effectively increasing power 26~31%.

solar energy；MPPT；perturbation and observation method

TM615

A

1009-6434(2016)07-0031-02

陈圳（1996—），男，福建省，中南大学通信工程2013级本科生。