太陽能最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的研究與實現

摘要：針對太陽能本身的特點以及其功率特性，運用最大功率點跟蹤的方法來實現對系統(tǒng)的控制，從而使太陽能的利用率得到大幅提高，造福人類。
關鍵詞：太陽能；最大功率點跟蹤；DC—DC

    隨著社會的發(fā)展，能源危機日趨嚴重，結合環(huán)境保護需要，人們將更多的目光投向可再生能源的研究與應用，太陽能以其技術含量高、儲量巨大、無污染、無噪聲等優(yōu)點越來越多得受到全世界的廣泛關注，然而利用率低一直是困擾科學家最大的問題之一；最大功率點跟蹤(MPPT)方法在提高發(fā)電效率、有較低成本方面發(fā)揮了十分深遠的意義。

1 理論依據
1．1 太陽能電池的光伏特性
    在光伏特性體系里要求太陽能電池輸出最大功率，那么就要求太陽能電池輸出在最大功率下工作。由太陽能電池組件輸出功率特性曲線知(見圖1)，當U<UMAX時，輸出功率隨著電壓的增大而增大；當U>UMAX時，輸出功率隨著電壓的增大而減?。挥缮峡芍?，通過最大功率點跟蹤技術控制使電池在不同環(huán)境(不同日照或者不同溫度)中輸出最大功率。

1．2 最大功率點跟蹤(MPPT)技術
    最大功率點跟蹤技術是針對太陽能電池發(fā)電效率提出的；研究已經取得多種算法，其中微擾觀察法和增量電導法較為普遍。還有PID算法、模糊算法、神經網絡等。下面以微擾觀察法和增量電導法為例進行分析。
1．2．1 微擾觀察法
   
    通過不斷調節(jié)△U的大小，使△P最小，從而達到輸出功率最大。
1．2．2 增量電導法
   
    那么，通過不斷調節(jié)dU，就得到最大功率點。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)結構
    根據系統(tǒng)的性能要求，該系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、DC-DC變換器、數據采集電路、CPU主控模塊、驅動電路、計算機控制軟件、MAX232通信、顯示模塊、外圍實驗裝置等部分組成。圖2為該系統(tǒng)框圖。

3 系統(tǒng)硬件設計
3．1 DC-DC轉換電路
    本系統(tǒng)經過太陽能光伏板收集到太陽能，然后經過DC-DC變換器給蓄電池充電，使輸入輸出阻抗實現匹配；目前，常見的DC-DC變換電路有Buck電路、Boost電路和SEPIC電路，本系統(tǒng)采用SEPIC電路作為DC-DC轉換電路。如圖3所示，其輸入電壓和輸出電壓的比值可以為任意值，如下式：
   
    其中，β為開關SPST的占空比；由式(9)可知，我們可以通過調節(jié)β決定U0和U1的大小，從而實現最大功率點的跟蹤。

3．2 CPU主控模塊
    系統(tǒng)采用STM32F103c8作為主控芯片。STM32F103c8使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(高達128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強I／O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。[!--empirenews.page--]
3．3 電壓電流采樣電路
    本系統(tǒng)電壓電流采樣電路采用OP37為主控芯片，電壓采樣電路采用對輸入電壓進行直接分壓后進行采樣；而電流采樣電路采用采樣電阻后把采樣電流轉化成采樣電壓后通過差分放大電路后進行電壓采樣。

3．4 驅動電路
    本系統(tǒng)采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調速技術。其調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大。
3．5 顯示電路
    為了更直觀地觀察輸出輸入電壓電流數據，本系統(tǒng)采LCD1602液晶顯示模塊，用于更直觀地讀取數據。

4 系統(tǒng)軟件設計
    本系統(tǒng)軟件設計運用C語言編寫。C語言對機器底層硬件操作方便，模塊化程度高，可讀性與可移植性好。該軟件設計主要包括兩部分組成：程序由初始化模塊、功能模塊組成。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖6所示。

5 結束語
    本系統(tǒng)是在ARM環(huán)境下進行實驗，基于SEPIC電路，并采用了基于PWM技術的H型橋式驅動電路，解決了電機驅動的效率問題，運用最大功率點跟蹤技術，提高了太陽能的利用率。