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摘?要 光伏电池的输出特性会受多方面因素影响，如光照、温度、负载状态等都会使它的输出发生变化，同时不同条件下光伏电池最大功率点的位置也会变化。本文研制的基于单片机的太阳能光伏发电最大功率点追踪控制系统，通过实时采集光伏板的输出电流值和输出电压值，经过MPPT（Maximum Power Point Tracking）控制算法，实时调整光伏电池的工作点，使光伏板稳定工作在最大功率点附近，提高光伏板的电能转换效率，从而实现太阳能的高效利用。
关键词 最大功率点跟踪；DC-DC；光伏电池
中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0116-02
伴随着能源匮乏，环境日益恶劣，绿色能源受到越来越多的关注，也得到了越来越多的使用。作为绿色能源中最丰富的太阳能，由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成为世界能源组成中的重要部分。但是，目前太阳能光伏发电由于发电成本高、转换效率低等问题并未大规模投入使用。因此，如何更有效地利用太阳能是该领域研究的热点问题。若想更有效地利用太阳能，提高电能转换效率，那么跟踪光伏电池板的最大功率点是有效途径。所以，太阳能光伏电池最大功率点跟踪控制系统的研究具有很高的实际意义和应用价值。
1 太阳能光伏电池发电原理及特性分析
1.1 光伏电池发电原理
光伏电池是一种直接将光能转化成电能的能量转换器，它的工作原理是以半导体P-N结上接受太阳光照产生“光生伏特效应”为基础。所谓的“光生伏特效应”是指物体吸收光能后，其内部传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。
1.2 光伏电池输出特性
光伏电池的输出特性与负载的关系是指在一定的光照及温度的情况下，负载RL与输出电压、输出电流以及输出功率的关系。在光照强度与温度相同的情况下，输出功率随着负载电阻的变化而变化。当负载电阻大小为RM时输出的功率最大，该点既为光伏电池最大功率点。
2 系统组成
本系统是一种基于单片机控制的光伏发电最大功率点跟踪控制装置，以实现对太阳能的高效利用。光伏电池板将太阳能转换为电能，经DC-DC模块给蓄电池充电，为负载提供电能。检测模块与控制器实时检测光伏电池板的输出电压与电流，根据控制器内置控制策略——电导增量法，计算出下一次控制器输出的控制信号PWM的占空比，控制信号经驱动隔离电路送给DC-DC模块，通过改变开关管MOSFET的开通与关断时间的比来控制光伏电池的输出功率，从而达到对光伏电池最大功率点跟踪的效果。
2.1 DC-DC模块电路
在最大功率跟踪控制系统中，DC-DC模块是整个电路的核心部分。我们采用的是改进型升降压斩波电路Cuk斩波电路，同时Cuk斩波电路有一个明显的优点，即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。同时可以满足需要对光伏电池最大功率点快速跟踪与需要对蓄电池进行最大功率和恒压充电的要求。本电路开关管采用MOSTET管，经实验验证能够稳定运行。
2.2 检测模块
要想跟踪光伏电池最大功率点，实时检测光伏电池输出电压与输出电流是必不可少的。太阳能最大输出功率模块包括电压检测电路、电路检测电路和AD转换电路三部分。下面将详细对两部分电路做以介绍。
2.2.1 电压检测电路
电压检测电路电路包括三个部分：输出电压电阻分压部分，通过这一部分得到0～3.3V 的电压，使电压在AD转换芯片所能接受的范围；然后再通过一个二阶滤波电路，减小高频信号的干扰，得到平稳的电压信号；最后再通过一个电压跟随器，将输出电压钳制在3.3V以下。
2.2.2 电流检测电路
该电路采用的电流传感器采用霍尔电流传感器ACS712，具有大带宽，高灵敏度，及稳定的偏执电压的特点。该电路将采集到的电流信号转换成电压信号，并使输出电压值在AD芯片接受范围内。
2.2.3 AD转换电路
采用的AD转化芯片是TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接。该芯片具有的多通道串行输入的特点，可以满足系统需同时采集多项电压、电流的要求。经AD芯片转换之后将光伏板电压、电流模拟信号转换成数字信号后送至单片机。
2.3 驱动隔离电路
驱动隔离芯片采用光耦芯片TLP250。该芯片是一种可直接驱动小功率MOSFET的功率型光耦，最大驱动能力达1.5A 。之所以选用TLP250是因为光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路变的简单。
2.4 稳压电路
系统中控制器由蓄电池供电，由于蓄电池电压为12 V与控制器的电源电压5 V不相吻合，所以要用7805稳压芯片进行稳压，保证了蓄电池的输出电压可供数字芯片使用。为了更稳定的输出电压，对稳压芯片的输入输出端进行了滤波。稳压输出的5 V为系统中的控制器、显示屏及除光耦TLP 250外其它芯片提供电源。稳压电路包括防反冲二极管D、稳压芯片7805、滤波电容（CD1、CD2、C1、C2、C3），其中CD1、CD2为电解电容。
2.5 控制器
控制器太阳能光伏电池最大功率跟踪系统的核心，该系统控制器采用STC89C52。为了使控制器能正常的工作，需要建立单片机最小系统，包括时钟电路、复位电路。控制器由稳压电路提供电源，与检测电路相连接接收处理电压与电流信号，通过内置算法来产生PWM波，经驱动隔离电路来控制DC-DC电路中MOSFET开关管的开通与关断，来实现太阳能电池板最大功率的跟踪。
控制器的最小系统中还包含显示模块和串口下载模块。显示模块可以实时显示系统所采集的电压和电流值；串口通讯模块可以实现对单片机内部程序的下载和更新。
3 控制算法
3.1 跟踪原理
由光伏电池输出特性可知，在任意光照强度和环境温度下，光伏电池都存在一个最大功率点，且随着负载的变化而变化。若要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时变更系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之能在不同的光照强度和环境温度下始终让光伏电池工作在最大功率点附近。
为了实时变更系统负载特性，本系统采用的光伏电池最大功率点跟踪器是一个DC-DC模块，因此可将光伏电池等效为直流电源，DC-DC模块看成外部负载。光伏板实际所接的等效负载时DC-DC变换器的占空比和其所带负载的函数，通过调节控制信号PWM占空比就可以达到改变光伏电池等效负载的目的，使之在不同的外部环境下，始终使负载与光伏电池相匹配，是光伏电池工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪。
3.2 跟踪算法
本系统的MPPT方法采用改进型电导增量法，其控制流程图如图1所示。根据改变步长值的大小来改变占空比，从而通过脉宽调整方法生成PWM信号驱动开关器件来改变输出电压的设定值，最终实现MPPT。这种方法控制精确，响应速度快，适用于外部条件不断变化的情况，但对于硬件精度要求比较高，因而整个系统对硬件的要求也比较高。
4 结论
电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求尤其是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快。本文所设计的光伏发电系统在光强和温度大范围变化的情况下具有高速、稳定跟踪的特性。
图1 控制流程图
注：本文系“北京信息科技大学大学生科技创新计划项目”资助的研究成果。
参考文献
[1]赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[J].北京：电子工业出版社，2012.
[2]Jon Bentley.编程珠玑[J].北京：人民邮电出版社，2008.
[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[J].北京：机械工业出版社，2000.
关键词 最大功率点跟踪；DC-DC；光伏电池
中图分类号 TM615 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）112-0116-02
伴随着能源匮乏，环境日益恶劣，绿色能源受到越来越多的关注，也得到了越来越多的使用。作为绿色能源中最丰富的太阳能，由于其可再生性、清洁性及取之不尽、用之不竭等特点，正在发展成为世界能源组成中的重要部分。但是，目前太阳能光伏发电由于发电成本高、转换效率低等问题并未大规模投入使用。因此，如何更有效地利用太阳能是该领域研究的热点问题。若想更有效地利用太阳能，提高电能转换效率，那么跟踪光伏电池板的最大功率点是有效途径。所以，太阳能光伏电池最大功率点跟踪控制系统的研究具有很高的实际意义和应用价值。
1 太阳能光伏电池发电原理及特性分析
1.1 光伏电池发电原理
光伏电池是一种直接将光能转化成电能的能量转换器，它的工作原理是以半导体P-N结上接受太阳光照产生“光生伏特效应”为基础。所谓的“光生伏特效应”是指物体吸收光能后，其内部传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。
1.2 光伏电池输出特性
光伏电池的输出特性与负载的关系是指在一定的光照及温度的情况下，负载RL与输出电压、输出电流以及输出功率的关系。在光照强度与温度相同的情况下，输出功率随着负载电阻的变化而变化。当负载电阻大小为RM时输出的功率最大，该点既为光伏电池最大功率点。
2 系统组成
本系统是一种基于单片机控制的光伏发电最大功率点跟踪控制装置，以实现对太阳能的高效利用。光伏电池板将太阳能转换为电能，经DC-DC模块给蓄电池充电，为负载提供电能。检测模块与控制器实时检测光伏电池板的输出电压与电流，根据控制器内置控制策略——电导增量法，计算出下一次控制器输出的控制信号PWM的占空比，控制信号经驱动隔离电路送给DC-DC模块，通过改变开关管MOSFET的开通与关断时间的比来控制光伏电池的输出功率，从而达到对光伏电池最大功率点跟踪的效果。
2.1 DC-DC模块电路
在最大功率跟踪控制系统中，DC-DC模块是整个电路的核心部分。我们采用的是改进型升降压斩波电路Cuk斩波电路，同时Cuk斩波电路有一个明显的优点，即其输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很小，有利于对输入、输出进行滤波。同时可以满足需要对光伏电池最大功率点快速跟踪与需要对蓄电池进行最大功率和恒压充电的要求。本电路开关管采用MOSTET管，经实验验证能够稳定运行。
2.2 检测模块
要想跟踪光伏电池最大功率点，实时检测光伏电池输出电压与输出电流是必不可少的。太阳能最大输出功率模块包括电压检测电路、电路检测电路和AD转换电路三部分。下面将详细对两部分电路做以介绍。
2.2.1 电压检测电路
电压检测电路电路包括三个部分：输出电压电阻分压部分，通过这一部分得到0～3.3V 的电压，使电压在AD转换芯片所能接受的范围；然后再通过一个二阶滤波电路，减小高频信号的干扰，得到平稳的电压信号；最后再通过一个电压跟随器，将输出电压钳制在3.3V以下。
2.2.2 电流检测电路
该电路采用的电流传感器采用霍尔电流传感器ACS712，具有大带宽，高灵敏度，及稳定的偏执电压的特点。该电路将采集到的电流信号转换成电压信号，并使输出电压值在AD芯片接受范围内。
2.2.3 AD转换电路
采用的AD转化芯片是TLC2543，它具有三个控制输入端，采用简单的3线SPI串行接口可方便地与微机进行连接。该芯片具有的多通道串行输入的特点，可以满足系统需同时采集多项电压、电流的要求。经AD芯片转换之后将光伏板电压、电流模拟信号转换成数字信号后送至单片机。
2.3 驱动隔离电路
驱动隔离芯片采用光耦芯片TLP250。该芯片是一种可直接驱动小功率MOSFET的功率型光耦，最大驱动能力达1.5A 。之所以选用TLP250是因为光耦既保证了功率驱动电路与PWM脉宽调制电路的可靠隔离，又具备了直接驱动MOSFET的能力，使驱动电路变的简单。
2.4 稳压电路
系统中控制器由蓄电池供电，由于蓄电池电压为12 V与控制器的电源电压5 V不相吻合，所以要用7805稳压芯片进行稳压，保证了蓄电池的输出电压可供数字芯片使用。为了更稳定的输出电压，对稳压芯片的输入输出端进行了滤波。稳压输出的5 V为系统中的控制器、显示屏及除光耦TLP 250外其它芯片提供电源。稳压电路包括防反冲二极管D、稳压芯片7805、滤波电容（CD1、CD2、C1、C2、C3），其中CD1、CD2为电解电容。
2.5 控制器
控制器太阳能光伏电池最大功率跟踪系统的核心，该系统控制器采用STC89C52。为了使控制器能正常的工作，需要建立单片机最小系统，包括时钟电路、复位电路。控制器由稳压电路提供电源，与检测电路相连接接收处理电压与电流信号，通过内置算法来产生PWM波，经驱动隔离电路来控制DC-DC电路中MOSFET开关管的开通与关断，来实现太阳能电池板最大功率的跟踪。
控制器的最小系统中还包含显示模块和串口下载模块。显示模块可以实时显示系统所采集的电压和电流值；串口通讯模块可以实现对单片机内部程序的下载和更新。
3 控制算法
3.1 跟踪原理
由光伏电池输出特性可知，在任意光照强度和环境温度下，光伏电池都存在一个最大功率点，且随着负载的变化而变化。若要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要的途径就是实时变更系统负载特性，即调整光伏电池的工作点，使之能在不同的光照强度和环境温度下始终让光伏电池工作在最大功率点附近。
为了实时变更系统负载特性，本系统采用的光伏电池最大功率点跟踪器是一个DC-DC模块，因此可将光伏电池等效为直流电源，DC-DC模块看成外部负载。光伏板实际所接的等效负载时DC-DC变换器的占空比和其所带负载的函数，通过调节控制信号PWM占空比就可以达到改变光伏电池等效负载的目的，使之在不同的外部环境下，始终使负载与光伏电池相匹配，是光伏电池工作在最大功率点，从而实现最大功率跟踪。
3.2 跟踪算法
本系统的MPPT方法采用改进型电导增量法，其控制流程图如图1所示。根据改变步长值的大小来改变占空比，从而通过脉宽调整方法生成PWM信号驱动开关器件来改变输出电压的设定值，最终实现MPPT。这种方法控制精确，响应速度快，适用于外部条件不断变化的情况，但对于硬件精度要求比较高，因而整个系统对硬件的要求也比较高。
4 结论
电导增量法控制精确，响应速度比较快，适用于大气条件变化较快的场合。但是对硬件的要求尤其是传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快。本文所设计的光伏发电系统在光强和温度大范围变化的情况下具有高速、稳定跟踪的特性。
图1 控制流程图
注：本文系“北京信息科技大学大学生科技创新计划项目”资助的研究成果。
参考文献
[1]赵争鸣，陈剑，孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[J].北京：电子工业出版社，2012.
[2]Jon Bentley.编程珠玑[J].北京：人民邮电出版社，2008.
[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[J].北京：机械工业出版社，2000.