1、定 稿日期 ：2008-07-23作者简介 ：时 剑 （1984-），男 ，江苏宿迁人 ，硕士研究生 ，研究方向为太阳能最大功率跟踪控制 。1 引 言太阳能光伏利用日益被人们重视，世界各国都投入大量的人力 、物力 、财力争相发展 。在光伏控制技术上，由于恒定电压跟踪器（ CVT）的制造相对简单，许多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的最大功率点跟踪 （ Maximum Power PointTracking，简称 MPPT），但这种方式不可避免带来了功率损失，随着近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的价格大幅度降低， CVT 已经显得很不经济 。具有太阳能 MPPT 功能控制器使光伏利
2、用技术得以提高，采用高性能价格比的单片机以及相关的外围器件来实现 MPPT 的控制将会比 CVT 控制带来更大的效益1。2 太阳能电池的光伏特性光伏电池的输出特性具有非线性，这种非线性受到外部环境（如日照强度 、温度 、负载等）以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，使得光伏电池的输出功率发生变化，其实际转换效率也受到限制 。图 1示出太阳能电池阵列输出的伏安特性和伏瓦特性 。由图可见，常温下， 200 W/m2日照时，最大功率点（ MPP）发生在 350 V 处；而 1 kW/m2日照时， MPP发生在 410 V 处，如图 1c， d 中虚线所示 。在同一日照下，温度为 50时， MPP 发
3、生在 380 V 处；温度为0 时， MPP 发生在 520 V 处，如图 1a， b 中虚线所示 。可知， CVT 技术是不能满足太阳能电池在各种日照和温度下的最大功率输出要求的 。3 MPPT 控制的实现3.1 控制方法为实现 MPPT 功能，采用最常用的爬山法，并对其进行有效的改进 。爬山改进法主要用软件编程通过不断调整电压步长 U 对最大功率点进行判断和控制，最后利用阈值 判断是否达到最优点 。该方法在光伏电池P-U 特性曲线峰值点附近从左到右依次取 A， B， C3 个点，即 UA和 PA， UB和 PB， UC和 PC，它们分别对应各点工作电压和一个预先设定用于调整电压步长的常量；
4、再判断 3 点电压值调整方向时可能出现的情形 。图 2 示出流程图 。当 PAPB且 PBPC时，对应的实际情况为：系MCU控制的太阳能电池最大功率跟踪控制器时 剑 ， 单春贤 ， 童 红 ， 方 攀（江苏大学，江苏 镇江 212013）摘要 ：介绍了一种采用 AT89C4051 单片机以及外围器件实现太阳能电池最大功率点跟踪（ MPPT）控制的精简设计 。在该设计中提出了采用 “爬山改进法 ”来实现最大功率点控制，并给出了实验方法 。实验结果表明，控制器达到了最大功率点跟踪的目的 。关键词 ：控制器；单片机 / 最大功率点跟踪；太阳能电池；爬山改进法中图分类号 ：TM914.4； TM76
5、文献标识码 ：A 文章编号 ：1000-100X（ 2008） 11-0045-02Solar Cell MPPT Controller based on MCUSHI Jian， SHAN Chun-xian， TONG Hong， FANG Pan（ Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）Abstract： A precision design of controlling Maximum Power Point Tracking （ MPPT） of the solar cell with monolithic in-tegrated c
6、ircuit of AT89C4051 as well as the periphery component is researched and implemented.The design realizes theMPPT control by using “improved method of climbing”.The experimental result demonstrate that the controller has realizethe MPPT， and proved that the design are very powerful in theoretically a
7、nd practicability.Keywords： controller； micro computer unit / maximum power point tracking； solar cell； improved method of climbing图 1 太阳能电池阵列输出的伏安特性和伏瓦特性第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power ElectronicsVol.42， No.11November，200845第 42 卷第 11 期2008 年 11 月电力电子技术Power ElectronicsVol.42， No.11November，2008
8、统硬件先检测到 PAPB，突然有云遮挡，随后检测到PBPC，它表示日照强度快速变化的情形，算法中将该情况按照系统工作电压不作改变情形进行处理，只对U进行微调，这样系统不会跟随日照的快速改变而盲目调整工作电压，避免了系统过快振荡，从而实现了平稳跟踪，等到日照恢复稳定才开始下一轮检测 。在允许误差范围内算法设置了一个阈值 ，当步长 U 连续微调后满足 U 时，表明此时的 UB已经非常接近Umax，程序控制认为这时的 UB就是 Umax，这是系统跟踪到输出功率峰值点的判别条件 。3.2 MCU 实现3.2.1 硬 件采用高性价比 8 位单片机 AT89C4051，鉴于采集的精度和速度，采用具有 SP
9、I 串行接口的高性价比 12 位 200kHz 转换速率 4 通道 ADS7841。3.2.2 软 件MPPT 控制流程如图 2 所示 。PWM 波输出以溢出中断方式改变 。利用单片机定时器 T0产生 PWM 波形，然后通过光电耦合器来驱动 MOSFET 管2。根据相关文献和经验将 PWM 占空比初始值设为 70%3，然后不断改变占空比采集相应的电压 、电流，由单片机算出连续采集的 3 次功率，并将其进行比较，得出最大功率点的方向，从而确定占空比的大小，直至找到最大功率点，搜索才停止 。但是电压 、电流的采集依旧进行，以满足不断变化阻抗的负载获得最大功率点 。4 模拟实验及分析实验采用直流电源
10、加滑线电阻 R1模拟太阳能电池，一个可控的 DC/DC 转换器（ Buck 电路）作为被控器件，一个可变电阻 R2做负载， R3作为电流采样电阻 。实验电路框图如图 3 所示 。MPPT 控制器输出给 DC/DC 转换器的控制端 。实验中通过改变负载电阻 、电源串联电阻和电源电压来观察 MPPT 的跟踪效果 。测得实验数据如表 1 所示 。由表 1 可知，在未采用 MPPT 和采用 MPPT 情况下测得的负载输出电压电流有明显的不同，经过计算发现，采用 MPPT 后负载功率得到提高，说明爬山改进法方法是可行的 。之所以 MPPT 会改变负载的输出电压和电流，因为 DC/ DC 转换器可视为一个
11、阻抗变换器，它与 R2和 R3可看成为一个电阻，只要该电阻等于 R1，即可取得最大功率 。5 结 论采用爬山改进法控制技术，特别是在光照和温差变化较大场合，能有效提升太阳能电池的输出 。实验证明，由 AT89C4051 单片机及其外围器件所构成的 MPPT 控制器能实现太阳能电池的最大功率输出，并具有体积小 、价格低和接线简单等优点，因而具有实用价值 。参考文献1 余世杰，何慧若 .曹仁贤 .光伏水泵系统中 CVT 及 MPPT的控制比较 J.太阳能学报， 1998， 19（ 4）： 94-98.2 赵德安 .单片机原理及应用 M.北京 :机械工业出版社 ,2004.3 Chihchiang
12、Hua， Chihming Shen.Comparative Study of PeakPower Tracking Techniques for Solar Storage System A.IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposi-tion APEC98 C.1998： 679-685.图 3 实验电路框图未采用 MPPT负载 / 输出电压 /V 输出电流 /A 功率 /W7 1.832 0.443 0.8116 1.823 0.446 0.8135 1.811 0.451 0.816采用 MPPT负载 / 输出电压 /V 输出电流 /A 功率 /W7 1.125 0.890 1.0016 1.113 0.912 1.0155 1.104 0.933 1.030表 1 MPPT 跟踪效果实验数据图 2 爬山改进法流程图欢迎在 电力电子技术 上刊登广告 ！联系电话 ：029-8527182346
