太陽能最大功率點跟蹤控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

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(xiàn)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(guān)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(jié)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(yīng)用，太陽能以其技術(shù)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(guān)注，然而利用率低一直是困擾科學(xué)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(jù)
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??；由上可知，通過最大功率點跟蹤技術(shù)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(shù)
    最大功率點跟蹤技術(shù)是針對太陽能電池發(fā)電效率提出的；研究已經(jīng)取得多種算法，其中微擾觀察法和增量電導(dǎo)法較為普遍。還有PID算法、模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。下面以微擾觀察法和增量電導(dǎo)法為例進行分析。
1．2．1 微擾觀察法
   
    通過不斷調(diào)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(dǎo)法
   
    那么，通過不斷調(diào)節(jié)dU，就得到最大功率點。[!--empirenews.page--]

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    根據(jù)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(shù)據(jù)采集電路、CPU主控模塊、驅(qū)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(shè)計
3．1 DC-DC轉(zhuǎn)換電路
    本系統(tǒng)經(jīng)過太陽能光伏板收集到太陽能，然后經(jīng)過DC-DC變換器給蓄電池充電，使輸入輸出阻抗實現(xiàn)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(zhuǎn)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(guān)SPST的占空比；由式(9)可知，我們可以通過調(diào)節(jié)β決定U0和U1的大小，從而實現(xiàn)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(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)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(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。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(zhuǎn)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(qū)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(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)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(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。其調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)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(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采LCD1602液晶顯示模塊，用于更直觀地讀取數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)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(shè)計流程圖如圖6所示。

5 結(jié)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(shù)的H型橋式驅(qū)動電路，解決了電機驅(qū)動的效率問題，運用最大功率點跟蹤技術(shù)，提高了太陽能的利用率。