基于Buck变换器的光伏电池最大功率跟踪器.doc

基于Buck变换器的光伏电池最大功率跟踪器
吴透明， 姚国兴，孙磊
（华南理工大学电力学院，广东省绿色能源重点实验室，广东 广州 510640）
摘要：文章论述了利用Buck电路对光伏电池进行最大功率点跟踪的原理，提出了一种基于单片机的，以Buck电路为核心的MPPT系统，并对以蓄电池为负载的系统进行了实验研究。通过实验结果表明该控制器达到了MPPT功能。
关键字: 太阳能；蓄电池；最大功率跟踪；PIC单片机
中图分类号: TM 61
Maximum Power Point Tracker for Solar Cell Based on Buck Converter
WU Touming, YAO Guoxing , SUN Lei
(Electric Power College, South China University of Technology Guangzhou Guangdong 510640, China)
Abstract:This paper introduces the principles of photovoltaic maximum power point tracking using Buck converter.A microcontroller-based MPPT system with Buck converter is proposed .Experiment rearch is proceeded to the MPPT system with battry-load. Experiment results indicate that the controller has the MPPT function.
Key words: solar energy; battery; MPPT；PIC microcontroller

1 引言
光伏电池是太阳能发电的核心部分, 具有将太阳能转换为电能的功效。光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的热点，但是光伏发电存在两个主要问题[4]：第一，光伏电池的输出特性受外界环境影响大，当温度和光照辐射强度变化时，其输出特性会发生较大的变化；第二，光伏电池的转换效率低而且价格昂贵，初期投入较大。因此，为了充分利用光伏电池所产生的能量，通常在光伏电池和负载之间串联最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)电路，从而实现最大功率输出。
2 光伏电池的特性
光伏电池在一定光照强度和一定温度的情况下输出特性曲线如图1：

图1 光伏电池的V-I特性曲线和V-P特性曲线
当外部环境变化时，光伏电池输出发生变化，太阳能光伏电池的V-I输出特性如下：

图2 不同光照强度（上）条件下、不同温度（下）条件下的光伏组件V-I输出特性曲线
由光伏电池的V-I特性曲线可以看出，短路电流主要受太阳光照强度影响，而开路电压主要受温度影响。在光照和温度一定的条件下，光伏电池的最大功率点只有一处，其对应的电压和电流为最大功率电压和最大功率电流。因此，必须在光伏电池与负载之间增加MPPT电路，当外部环境或者负载变化时，使光伏电池都工作在最大功率点附近，以提高光伏电池的利用效率。
3 MPPT控制技术的实现
3.1最大功率跟踪原理
光伏电池是一个非线性电源，其输出电压和电流不仅受到光强和温度的影响，还决定于负载的性质和状况。在光伏电池的伏安曲线中，光伏电池的输出特性曲线与负载特性曲线的交点即为光伏电池的工作点[5]。如果工作点处于最大功率点，光伏电池所产生的电能被充分利用，反之它所产生的电能没有被充分利用。
使用直流电源加可变电阻来模拟光伏电池的输出特性曲线，实验电路如图4所示。图中虚线框中的为模拟的光伏电池，它由一个直流电源和一个可变电阻组成，电
压就是模拟光伏电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路，包括DC/DC变换器和负载。DC/DC变换器为Buck电路，Buck电路拓扑如图5所示。

图3 光伏电池实验等效电路

图4 Buck电路拓扑
图4中和是变换器的输入电压和输出电压，是平均输入电流。D是占空比，是负载，对于理想的Buck电路有：
（1）
（2）
（3）
由（1）~（3）可得
（4）
所以可以将Buck变换器和负载看作是一个等效的可变电阻，它的大小和占空比D和负载有关。如果用P表示模拟光伏电池的输出功率，对于整个实验模型有
（5）
（6）
将（5）代入（6）消去可以得到
（7）
当=/2时，有最大功率输出
（8）
根据式（7）得出光伏电池的P-U曲线，如图5所示，该曲线与光伏电池的P-U曲线特性相似，说明使用本方法代替光伏电池进行实验是可行的，当的电压为电压源的一半即=时光伏电池获得最大功率输出。所以在不变的情况下通过改变D使=可以实现光伏电池的最大功率跟踪。

图5 模拟光伏电池功率电压曲线
3.2控制方法
光伏电池的最大功率跟踪点控制方法很多[5]，如开路电压法，短路电流法，电压扰动法，导纳增量法等，这些方法各有优缺点。本文采用电压扰动法，该方法控制简单，所检测的参数较少，因此普遍应用在光伏MPPT控制器中。
电压扰动[5]通过将本次光伏电池的输出功率与上次的比较，来确定是增加还是减少光伏电池的输出电压。如果功率增加，则光伏电池电压维持原来的电压扰动方向；如果功率降低，则光伏电池电压向相反方向扰动。通过反复的扰动、观察和比较，使光伏电池输出功率达到最大功率点处。
对于Buck电路，通过改变D来调节光伏电池的输出电压。假设Buck电路的转换效率为，则光伏电池输出功率。在一定条件下，是常数，则通过观察负载上功率的变化可以反映光伏电池输出功率的变化。控制过程是这样的，给D一个扰动，观察负载R2上功率的变化，如果功率增加则对D维持原方向的扰动，相反如果功率减少则对D反方向扰动，如此反复进行下去。
3.3控制器的实现
控制器的原理图如图6所示。

图6 光伏电池最大功率跟踪器
由于Buck电路[1]的输入端工作在断续状态下，若不加入储能电容，则光伏电池工作在时断时续的状态下，不能处于最佳工作状态。加入了储能电容C1后，Buck电路功率开关断开时光伏电池1对储能电容充电，使光伏电池始终处于发电状态，此时调节Buck电路占空比才可以有效跟踪最大功率工作点。
本文中的单片机采用PIC16F873a单片机，控制器的负载为铅酸蓄电池，单片机采样蓄电池的电压（Buck的输出电压）和充电电流（Buck的输出电流），通过电压扰动的算法计算后，单片机输出Buck的开关管开关信号。
控制器的软件流程图如图7。

图7 程序流程图
4 实验结果及分析
光伏电池参数：最大功率180W，短路电流4A，开路电压45V。蓄电池参数：将两个12V，60Ah的铅酸蓄电池串联。控制器单片机选用PIC16F873a，开关频率选为20KHz。
做对比试验，在同样的外部环境条件下，一光伏电池对蓄电池组直冲，另一个光伏电池采用本文的最大功率跟踪器对蓄电池组充电，记录对比数据见表1。由表1知，接有MPPT装置后，光伏电池输出功率有了明显提高。
表1 对比实验结果
时间
有MPPT的充电电流（A）
无MPPT的充电电流
（A）
输出功率提高百分比（%）
09:00
2.75
2.35
17.20
10:00
3.45
3.00
23.00
11:00
3.32
3.10
21.40
12:00
3.21
3.05
26.00
13:00
3.00
2.87
22.20
14:00
2.64
2.34
25.01
15:00
2.11
1.75
21.70
5 结论
本文介绍了利用Buck电路对光伏电池进行最大功率点跟踪的原理，提出了一种基于单片机的，以Buck电路为核心的MPPT系统，并对以蓄电池为负载的系统进行了实验研究。通过对比实验结果表明，采用该控制器使光伏电池实现了MPPT功能，提高了光伏电池的发电效率。
参考文献
[1] 赵 宏，潘俊民. 基于Boost电路的光伏电池最大功率跟踪系统. 电力电子技术, Vol. 38, No. 3, June, 2004
[2] 张 超，何湘宁. 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用 中国电机 工程学报 Vol.26 ,No.20 ,Oct.,2006
[3]王志新. PV系统的变电压MPPT算法及仿真.华南理工大学学报( 自然科学版), Vol 37, No. 2,February ,2009
[4] 薛林，姚国兴. 基于双向DC-DC变换器的光伏发电系统.电气传动，Vol. 40, No. 11, June, November,2010
[5] 张玉平，石新春.一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现. Vol. 43, No. 2, June, February,2009
[6]T. Kitano, M. Matsui, and D. Xu, “A maximum power point tracking control scheme for PV system based on power equilibrium and its system design,” Trans. Inst. Electr. Eng. Jpn., vol. 121-D, no. 12, pp. 1263–1269,2001.
作者简介：
吴透明（1986.04-），男，安徽安庆人，华南理工大学，硕士研究生，主要研究方向为风光互补发电系统，E-mail：zywtm@；
姚国兴（1952.09-），男，广东汕头人，副教授，华南理工大学，硕士研究生导师，主要研究领域为计算机应用、计算机控制系统，电力电子工程设计智能化测量仪器的设计。
孙磊（1985.07-），男，山东青岛人，华南理工大学，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及新能源发电。