1、基于 MPPT 的智能太阳能充电系统研究 作者：卢琳 殳国华等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点跟踪(Maximum Power Point Tracking，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。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 5
2、3W 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)。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，光伏电池的开路电压基本不变短路电流大幅增加，最大输出功率大幅增加。图 2 示出线性系统电路图。首先，计算消耗在 R1 上的功率为：然后，式(1)两边对 R1 求导可得： 由式(2)可得，当 r=R1 时，dP1dR1=0 ，此时 P1 取最大值。 由于光伏电池系统受到光强、温度、太阳光入射角等多种因素的
3、影响，其输出电压 ub、输出电流 ib 和内阻 r 也处于不停变化之中。只有使用 DCDC 变换器实现负载的动态变化，才能保证光伏电池始终输出最大功率。MPPT 需要及时准确地采样蓄电池当前的充电电压和充电电流。两者相乘得到当前的充电功率，与前一时刻的充电功率相比较，调节 PWM 的占空比，从而使光伏电池始终工作在最大功率点。图 3 示出具体的控制策略。3 MPPT 的硬件设计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。控制器工作于电流断续模式。图
4、 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 AD 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 5 示出电压采样电路。它采用光耦 PC817 和三端稳压管 TLA31 相配合。TLA3l 是一种可编程稳压管，当变压器的次级输出电压 uout 变化时，光耦的输出电压随之变化，AD 会采样到当前的充电电压图 6 示出电流采样电路。由它对采样电阻 Rsam 两端的电压进行采样，并使用差分式运算放大器放大输出到MCU 的 AD 采样端
5、，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。4 软件分析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。
6、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 AD 采样要求精确。故需要使用软件数字滤波。这里采用均值滤波，即通过多次采样求平均值的方法，以达到去除干扰的目的。蓄电池采用循环充电方式。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24 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。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。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。 12 月 20 日的天气变化较快，时而有阳光，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。经测试，该 MPPT 充电系统反映出了太阳能电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 MPPT 算法，则是下一步研究的重点。
