太阳能最大功率点跟踪控制系统的研究与实现

摘要：针对太阳能本身的特点以及其功率特性，运用最大功率点跟踪的方法来实现对系统的控制，从而使太阳能的利用率得到大幅提高，造福人类。
关键词：太阳能；最大功率点跟踪；DC—DC

    随着社会的发展，能源危机日趋严重，结合环境保护需要，人们将更多的目光投向可再生能源的研究与应用，太阳能以其技术含量高、储量巨大、无污染、无噪声等优点越来越多得受到全世界的广泛关注，然而利用率低一直是困扰科学家最大的问题之一；最大功率点跟踪(MPPT)方法在提高发电效率、有较低成本方面发挥了十分深远的意义。

1 理论依据
1．1 太阳能电池的光伏特性
    在光伏特性体系里要求太阳能电池输出最大功率，那么就要求太阳能电池输出在最大功率下工作。由太阳能电池组件输出功率特性曲线知(见图1)，当U<UMAX时，输出功率随着电压的增大而增大；当U>UMAX时，输出功率随着电压的增大而减小；由上可知，通过最大功率点跟踪技术控制使电池在不同环境(不同日照或者不同温度)中输出最大功率。

1．2 最大功率点跟踪(MPPT)技术
    最大功率点跟踪技术是针对太阳能电池发电效率提出的；研究已经取得多种算法，其中微扰观察法和增量电导法较为普遍。还有PID算法、模糊算法、神经网络等。下面以微扰观察法和增量电导法为例进行分析。
1．2．1 微扰观察法
   
    通过不断调节△U的大小，使△P最小，从而达到输出功率最大。
1．2．2 增量电导法
   
    那么，通过不断调节dU，就得到最大功率点。[!--empirenews.page--]

2 系统结构
    根据系统的性能要求，该系统主要由太阳能电池阵列、DC-DC变换器、数据采集电路、CPU主控模块、驱动电路、计算机控制软件、MAX232通信、显示模块、外围实验装置等部分组成。图2为该系统框图。

3 系统硬件设计
3．1 DC-DC转换电路
    本系统经过太阳能光伏板收集到太阳能，然后经过DC-DC变换器给蓄电池充电，使输入输出阻抗实现匹配；目前，常见的DC-DC变换电路有Buck电路、Boost电路和SEPIC电路，本系统采用SEPIC电路作为DC-DC转换电路。如图3所示，其输入电压和输出电压的比值可以为任意值，如下式：
   
    其中，β为开关SPST的占空比；由式(9)可知，我们可以通过调节β决定U0和U1的大小，从而实现最大功率点的跟踪。

3．2 CPU主控模块
    系统采用STM32F103c8作为主控芯片。STM32F103c8使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核，工作频率为72 MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I／O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。[!--empirenews.page--]
3．3 电压电流采样电路
    本系统电压电流采样电路采用OP37为主控芯片，电压采样电路采用对输入电压进行直接分压后进行采样；而电流采样电路采用采样电阻后把采样电流转化成采样电压后通过差分放大电路后进行电压采样。

3．4 驱动电路
    本系统采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。其调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大。
3．5 显示电路
    为了更直观地观察输出输入电压电流数据，本系统采LCD1602液晶显示模块，用于更直观地读取数据。

4 系统软件设计
    本系统软件设计运用C语言编写。C语言对机器底层硬件操作方便，模块化程度高，可读性与可移植性好。该软件设计主要包括两部分组成：程序由初始化模块、功能模块组成。系统软件设计流程图如图6所示。

5 结束语
    本系统是在ARM环境下进行实验，基于SEPIC电路，并采用了基于PWM技术的H型桥式驱动电路，解决了电机驱动的效率问题，运用最大功率点跟踪技术，提高了太阳能的利用率。