基于MPPT的智能太阳能充电系统研究

对MPPT跟踪算法有详细的讲解

第４１卷第２期电力电子技术

Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００７

２００７年２月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

基于ＭＰＰＴ卢

琳，殳国华，（上海交通大学，上海２００２４０）

摘要：实现了一种通过单片机控制开关电源使光伏电池给蓄电池充电的设计方案。系统使用单片机控制反激式

开关电源，并精确采样电压值和电流值，形成反馈。采用最大功率点跟踪（ＭＰＰＴ）算法，实现了系统工作的高效率。软件和硬件都对系统进行了保护，实现了系统工作的安全性和可靠性。此外给出了实际使用结果，由结果可知，系统工作正常，达到了预期的性能。

关键词：太阳能；电池／开关电源；最大功率点跟踪中图分类号：ＴＭ６１５

文献标识码：Ａ

文章编号：１０００－１００Ｘ（２００７）０２－００９６－０３

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＭａｘＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇｆｏｒＳｏｌａｒ－ＥｌｅｃｔｒｉｃＣｈａｒｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ｂａｓｅｄｏｎＭｉｃｒｏ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ＬＵＬｉｎ，ＳＨＵＧｕｏ－ｈｕａ，ＺＨＡＮＧＳｈｉ－ｗｅｎ

（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｕｓｅｓａｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｍｏｄｕｌｅｔｏｃｈａｒｇｅａｓｅａｌｅｄｌｅａｄ－ａｃｉｄｂａｔｔｅｒｙｂｙｕｓｉｎｇａｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌａｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ．ＩｔｕｓｅｓａＭＯＴＯＲＯＬＡｍｉｃｒｏ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｆｌｙ－ｂａｃｋｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｎｄｓａｍｐｌｅｓｔｈｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙｔｏｆｏｒｍａｆｅｅｄｂａｃｋｌｏｏｐ．Ｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｈｉｇｈ－ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｕｓｉｎｇＭＰＰＴａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ．Ｉｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｓａｆｅｔｙａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｂｙｕｓｉｎｇｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｇｉｖｅｓａｒｅａｌｒｅｓｕｌｔａｎｄｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｏｒｋｓｐｒｏｐｅｒｌｙａｎｄａｃｈｉｅｖｅｓａｎｔｉｃｉｐａｔｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ｂａｔｔｅｒｙ／ｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｍａｘｉｍｕｍｐｏｗｅｒｐｏｉｎｔｔｒａｃｋｉｎｇ

１

引言

太阳能是一种清洁高效的可再生能源。在阳光充足的白天，屋顶的光伏电池将太阳能转化成电能，供人们在夜晚使用。据专家预测，到２０４０年，全球的光伏发电量将占世界总发电量的２６％，２０５０年后将成为世界能源的支柱。

２

最大功率点跟踪

最大功率点跟踪（ＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇ，简称ＭＰＰＴ）系统是一种通过调节电气模块的工作状态，

使光伏板能够输出更多电能的电气系统［１］。图１示出光伏电池输出功率Ｐｂ与输出电压ｕｂ和输出电流ｉｂ的关系。图中Ａ为普通控制器使光伏电池工作在１２Ｖ，仅输出５３Ｗ时的功率点（一般功率点）；Ｂ为ＭＰＰＴ控制器使光伏电池始

终工作在最大功率点，从而输出高达７５Ｗ时的功率点（最大功率点）。图１光伏电池的Ｐｂ与ｕｂ和ｉｂ的关系

定稿日期：２００６－１０－１６作者简介：卢

琳（１９８０－），男，安徽合肥人，硕士研究生。研究方向为电力电子技术。

最大功率点主要受环境温度和太阳光强的影

响。在太阳光强不变的情况下，随着温度的升高，光伏电池的开路电压降低，最大输出功率随之降低。当温度不变，太阳光强增加时，光伏电池的开路电

图２线性系统电路图

压基本不变，短路电流大图中

—电源输出电压ＵＳ——

幅增加，最大输出功率大—电池内阻ｒ——幅增加。图２示出线性系—负载电阻Ｒ１——统电路图［２］。

首先，计算消耗在Ｒ１上的功率为：

ＵＳ

Ｐ１＝Ｉ２Ｒ１＝Ｒ１

１

然后，式（１）两边对Ｒ１求导可得：

"

２

（１）

ｄＰ１＝Ｕ２ｒ－Ｒ１

（２）Ｓ１１

由式（２）可得，当ｒ＝Ｒ１时，此时Ｐ１取ｄＰ１／ｄＲ１＝０，最大值。

由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射

９６

对MPPT跟踪算法有详细的讲解

基于ＭＰＰＴ的智能太阳能充电系统研究

ＭＰＰＴ

电压和充电电流。

３示出图６电流采样电路图

４

图３ＭＰＰＴ控制策略示意图

软件分析

３ＭＰＰＴ的硬件设计

由于太阳光强和环境温度的变化是一个缓慢的

过程，故参数采样无须高实时性，每隔几秒钟采样一次即可满足要求。产生中断的时间间隔是可以调整的，初期较短，可以迅速逼近最大功率点；后期较长，防止系统在最大功率点附近振荡。为防止系统误判断，每次控制比较，均进行３次，当３次的结果一致时，才实施相应的控制策略，否则重新采样比较，这样便最大限度地保证了系统的正常运行。图７示出实现ＭＰＰＴ的软件

流程。

由于单片机与开关电源一起工作，相互间的电磁干扰较大，而Ａ／Ｄ采样要求精

图７软件流程图确，故需要使

——每次ＰＷＭ增加的步长用软件数字滤图中Ｓｔｅｐ—

—ｉ与１异或ｉ∧１——

波。这里采用均值滤波，即通过多次采样求平均值的方法，以达到以１２Ｖ蓄电池为例，在充电电压达到１４．７Ｖ最高限制电压后，保持该电压继续充２￣４小时达到饱和。最大充电电流不允许超过额定容量的２５％（如容量为１００Ａ时的蓄电池，最大充电电流为２５Ａ）。采用保险丝实现硬件电路的过流保护。图８示出软件保护示意图。

由于光伏电池的输出特性呈非线性，且变化幅度较大，所以使用单端反激式变换器。该变换器由升降压变换器加隔离变压器推演而来，能够简单高效地提供直流输出，广泛用于功率１００Ｗ左右的小型开关电源中［３］。控制器工作于电流断续模式。

图４示出ＭＰＰＴ的硬件设计原理。其中，微控制器采用ＭＣ６８ＨＣ０８ＳＲ１２微处理器，使用Ａ／Ｄ模块采样电源的输出电流和输出电压，继而调节ＰＷＭ占空比，最终实现光伏电池的最大功率输出。ＭＰＰＴ控制策略的效果好坏直接取决于电压和电流的采样是否精确。

图４ＭＰＰＴ硬件设计原理图

图５示出电压采样电路。它采用光耦ＰＣ８１７和三端稳压管ＴＬ４３１相配合。ＴＬ４３１是一种可编程稳压管，当变

图５电压采样电路图压器的次级输出电压ｕｏｕｔ变化时，光耦的输出电压随之变化，Ａ／Ｄ会采样到当前的充电电压。

图６Ｒｓａｍ

大输出到ＭＣＵ的Ａ／Ｄ采样端，从而得到主电路中的电流值。由于信号需要精确采样，并且与电源隔离，因此使用线性光耦ＨＣＮＲ２００。另外，单片机及周边电路的用电可直接通过蓄电池隔离变压得到，系统无须外部电源供电，十分方便。

图８软件保护示意图

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对MPPT跟踪算法有详细的讲解

第４１卷第２期电力电子技术

Ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．２Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００７

２００７年２月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ

５

实验结果与展望

表１给出了系统的主要组成部分及性能指标。

源输出功率的多变性，并可以快速跟踪最大功率点，这对光伏系统的稳定高效工作起到了至关重要的作用。努力提高系统的效率和可靠性，进一步改进

则是下一步研究的重点。ＭＰＰＴ算法，

图９反映了２００５年１２月２０日早上９点到下午４

点的功率Ｐ，ＭＰＰＴ充电器的充电情况及最大功率点的变化情况。时而有阳１２月２０日的天气变化较快，光，时而多云，时而阴沉。最高ＭＰＰＴ可达到５０Ｗ，最小只有５Ｗ左右，这反映出太阳能电源输出功率的多变性。

表１

系统的主要组成部分及性能指标

性能指标

最大输出功率９０Ｗ；开路电压２０Ｖ；电池内阻小于０．１Ω。

最电池容量１２０Ａｈ；输出电压１２Ｖ；

蓄电池高充电电压１４．７Ｖ；最大充电电流

电池内阻小于１００ｍΩ；循环充（光盛牌铅酸蓄电池）３０Ａ；

电次数可达３００次以上。

２１０Ａ／Ｄ微控制器

１２５ｋＨｚ频率的ＰＷＭ控制ＭＯＳＦＥＴ；

ＭＣ６８ＨＣ９０８ＳＲ１２

点阵式ＬＣＤ，１６×２行显示。罐式变压器匝数比１∶２，漏感小于

反激式开关电源

采用ＩＲ３２０５的ＭＯＳＦＥＴ；采用２％；

（自制）

ＩＲ２１８４４的ＰＷＭ驱动芯片。

组件

太阳能电池板

（茂迪牌太阳能板）

图９某天最大功率点随时间的变化图

参考文献

［１］

ＲｉｃｈａｒｄＡＣｕｌｌｅｎ．ＷｈａｔｉｓＭａｘｉｍｕｍＰｏｗｅｒＰｏｉｎｔＴｒａｃｋｉｎｇａｎｄＨｏｗＤｏｅｓｉｔＷｏｒｋ？［Ｍ］．ＢｌｕｅＳｋｙＥｎｅｒｇｙ，ＵｓｅＭａｎｕ－ａｌ，Ｉｎｃ．２００２．［２］［３］

赵

慧．基于太阳能电动车充电控制系统的研究［Ｄ］．广东工业大学［硕士学位论文］．２００５．

张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计（修订版）［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００４．

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

经测试，该ＭＰＰＴ充电系统反映出了太阳能电

专辑“照明电子技术”

征文启事

照明的质量和水平，已成为衡量一个国家社会现代化程度的重要标志之一。照明用电约占我国发电量的１３％。绿色照明工程是期间国家组织实施的“十一五”

验，国外相关情况和发展趋势。欢迎照明电子产品生产企业和研究机构的专家学者踊跃投稿。专题的征文范围包括：

（１）用于电力电子电路仿真研究的高压气体放电灯、低压气体放电灯、荧光灯、无极灯、场致发光光源、ＬＥＤ和辉光放电光源等的电路模型。

低压气体放电灯、无极灯、场致发光光源、ＬＥＤ和辉光放电光源等的新型电子变压器、电子镇流器和控制电源。

（３）网络化照明电子技术。（４）汽车照明电子技术。（５）新型显示照明电子技术（液晶面板背光源）。

（６）应急照明电子技术。（７）城市美化照明电子技术。

（８）太阳能电池供电照明电子技术。

（９）新型照明电子技术的系统应用和节能分析。

欲投稿的作者请在２００７年５月３０日前将论文寄到本刊编辑部（Ｅｍａｉｌ：ｄｌｄｚｊｓｔｇ＠１６３．ｃｏｍ），并注明字样。所投“照明电子技术专辑”

论文将按本刊常规评审程序请国本２００７年７月３０日前通知作者。刊将请哈尔滨工业大学徐殿国教授为该专辑的特邀主编，对该领域的研究及该专辑的论文进行分析与点评。

截稿日期：２００７年５月３０日。录用通知发出日期：２００７年７月３０日。论文刊登期号：２００７年第

１０大重点节能工程之一，目的是

推广应用高效照明产品，节约用电，保护环境，有益健康。照明电子技术已经深入到国民经济的各个领域，是实施绿色照明工程的关键技术之一，具有巨大的社会和经济效益。

为促进照明电子技术的科研和生产，促进照明电子技术向生产力转化，本刊拟将《电力电子技术》杂志２００７年第１０期辟为专辑，以集中反“照明电子技术”

映这一技术领域的最新科研成果，关键技术发展和创新，新装备、新产品的设计、生产和运行经

荧光灯、内同行专家评审。评审结果将于（２）高压气体放电灯、

１０期（２００７年１０月２０日出版）。

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