蒙紀(jì)全 劉建麟 黃可煜 馬付杰

（1.廣西超星太陽能科技有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西吉寬太陽能設(shè)備有限公司，廣西 南寧 530000；3.南寧可煜能源科技有限公司，廣西 南寧 530000）

【摘 要】在國家相關(guān)政策和文件精神的扶持和鼓勵(lì)下，太陽能光伏發(fā)電近年來發(fā)展快速，在一般太陽能光伏發(fā)電中，都會(huì)涉及最大功率點(diǎn)跟蹤。文章將研究和論述一種太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤的方法，并通過實(shí)驗(yàn)檢測其有效性。

【關(guān)鍵詞】太陽能光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)；電子設(shè)計(jì)競賽；實(shí)驗(yàn)檢測

【中圖分類號(hào)】TM615 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2016）04-0036-03

0 前言

隨著能源危機(jī)意識(shí)和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，近年來尋求新能源成為世界科技的一大熱點(diǎn)。其中，太陽的開發(fā)利用不會(huì)產(chǎn)生噪音、粉塵、大氣等環(huán)境污染因素。但是，太陽能電池板的價(jià)格相對昂貴，并且在不同陽光下輸出的能量有較大的波動(dòng)，在相等功率輸出的前提下，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)能夠有效地減少太陽能電池板的成本開支。本人在2014年大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽中所做的題目為《具有最大功率點(diǎn)跟蹤的開關(guān)電源》，由于競賽時(shí)間和平時(shí)知識(shí)面有限，用STM32為控制，通過冒泡排序法實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的最大功率點(diǎn)跟蹤。賽后查閱相關(guān)文件對該知識(shí)有了更深一步的了解，目前使用比較普遍的有“爬山法”、數(shù)學(xué)建模法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，但是這些方法的操作比較繁瑣且相當(dāng)復(fù)雜。本文提供一種基于STM32的最大功率點(diǎn)跟蹤方法，并通過使用直流穩(wěn)壓電源進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。

1 太陽能電池板的特性

太陽電池的發(fā)電原理是利用光入射于半導(dǎo)體時(shí)所引起的光電效應(yīng)，圖1和圖2是某太陽能光伏電池板的功率輸出和電流輸出實(shí)時(shí)采集串口打印的圖像。與目前研究發(fā)現(xiàn)的情況一樣，太陽能電池板的輸出功率不是恒定不變的，而是在環(huán)境變化時(shí)有相等大的波動(dòng)。

由圖1的函數(shù)曲線圖形我們可以觀察到，太陽能板的輸出功率先是隨著輸出電流的慢慢增大而跟著慢慢增大；當(dāng)電流的輸出大于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，太陽板的輸出功率開始快速地減小。從圖2的函數(shù)曲線中可以看到，太陽能板的輸出功率先是隨著輸出電壓的變大而變大，當(dāng)電壓大于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，太陽板的輸出功率開始快速地減小，而且減小的趨勢或者斜率相當(dāng)明顯。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤原理

太陽能光伏電池板在光照情況下會(huì)產(chǎn)生光電反應(yīng)，在一個(gè)閉合回路由安培定律可知，閉合回路會(huì)產(chǎn)生電流，因此可以將太陽能光伏電池板看做是一個(gè)電源。只要是電源就必然會(huì)有電源的內(nèi)部阻抗，因此進(jìn)行電路分析，可把電源負(fù)和負(fù)載的閉合回路等效為如圖3所示的電路。其中，V1為電源，設(shè)其電壓值為U1，RS為電源的內(nèi)阻，RL為負(fù)載電阻，設(shè)輸出的功率為PO，負(fù)載RL上的電壓為UO 。由串聯(lián)電路歐姆定律可以得到：

（1）

由此推導(dǎo)式可以明顯看出，當(dāng)電源的內(nèi)部阻抗和負(fù)載阻抗相等時(shí)，負(fù)載所得到的功率最大。由串聯(lián)電路原理可知，此時(shí)電源內(nèi)阻和負(fù)載上的電壓相等。由串聯(lián)電路原理可知，負(fù)載Uo上的電壓方程式可以表述如下：

（2）

3 最大功率點(diǎn)跟蹤原理MATLAB仿真驗(yàn)證

在上述基礎(chǔ)上使用MATLAB進(jìn)行數(shù)學(xué)仿真用以檢驗(yàn)上述理論分析。設(shè)電源V1的電壓值為35 V，電源內(nèi)阻為10 Ω，負(fù)載電阻變化為5～25 Ω。分別以輸出功率Po作為縱坐標(biāo)，RL作為橫坐標(biāo)和PO作為從坐標(biāo)，UO作為橫坐標(biāo)，可以得到圖4和圖5。從圖4電源輸出功率與負(fù)載大小關(guān)系圖可以看到，當(dāng)負(fù)載電阻值等于10 Ω時(shí)，電源的輸出功率達(dá)到最大值。從圖5電源輸出功率與負(fù)載電壓大小關(guān)系圖可以看到，當(dāng)負(fù)載電壓值等于17.5 V時(shí)，電源輸出的功率達(dá)到最大值。從而證明上述理論的可靠性。

4 最大功率點(diǎn)跟蹤原理實(shí)踐驗(yàn)證

在對本文所述原理進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證時(shí)使用的供電電源為某品牌實(shí)驗(yàn)室電源，輸出最大電壓為30 V，輸出電流為3 A，模擬內(nèi)阻采用8 Ω/200 W金屬殼電阻，負(fù)載使用圓盤陶瓷可調(diào)電阻，最大功率點(diǎn)跟蹤模塊由TL494降壓型開關(guān)電源和STM32F103組成。由于作者參加電子設(shè)計(jì)競賽時(shí)采用DAC的方式控制開關(guān)電源輸出是一種簡單快捷的方法，沒有使用PWM控制方法和涉及太多的算法，所以無需考慮PID控制等問題。具體做法如圖6所示。

為了更進(jìn)一步形象地說明STM32自動(dòng)控制電源輸出或數(shù)控可調(diào)電源，采用王衛(wèi)東教授所著的《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》中的“圖8-24”。這是一個(gè)純模擬電路開關(guān)電源。

由虛短虛斷理論可知，R2處的電壓會(huì)和基準(zhǔn)源相等。本文的做法是制造一個(gè)可以變化的反饋信號(hào)對輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過運(yùn)放電路去改變它的反饋電壓；具體說，就是用一塊有雙運(yùn)算放大器的芯片去做一個(gè)差放還有一個(gè)電壓跟隨器，差放的同相端連接電源輸出電壓的電壓采集，反相那邊連接STM32單片機(jī)的DA模擬輸出口，這2個(gè)量進(jìn)行一個(gè)做差計(jì)算后輸入電壓跟隨器，電壓跟隨器的輸出連接到芯片的反饋，在這個(gè)時(shí)候調(diào)節(jié)了DA的輸出，那么電源電壓的輸出電壓就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變。改變反饋的差放數(shù)控調(diào)節(jié)電源輸出的原理圖如圖7所示，R3是反饋電阻；R4是平衡電阻；R1、R2是運(yùn)放的輸入電阻。

在純模擬電路的時(shí)候，圖8中的電壓可調(diào)輸出的數(shù)學(xué)代數(shù)式如下：

（3）

反饋回來的電壓信號(hào)經(jīng)過圖7所示電路圖的時(shí)候發(fā)生了相當(dāng)大的改變，由運(yùn)放的虛短虛斷原理可知，電壓跟隨器的輸出等于芯片的基準(zhǔn)UREF ，從而可以得到以下數(shù)學(xué)表達(dá)式：

（4）

G為差放的放大倍數(shù)，在一般情況下放大的倍數(shù)太大，會(huì)導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定，因此將G取值為5；因?yàn)槭怯肈A來實(shí)現(xiàn)可以調(diào)節(jié)的輸出電壓，所以和的大小是固定不變的。因此：

（5）

（6）

測試時(shí)將供電電源電流調(diào)到最大，否則在同一個(gè)電源給單片機(jī)供電時(shí)，電流從小調(diào)起，單片機(jī)開始不工作。測試數(shù)據(jù)記錄見表1。

5 總論與展望

本文提出的最大功率點(diǎn)跟蹤方法經(jīng)過仿真與實(shí)踐相結(jié)合的方式證實(shí)了其可靠性，這個(gè)方法簡單實(shí)用，由于陽光照射強(qiáng)度變化速度不快，因此本方法是一種較好的微型光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉長青，鐘水庫，張紀(jì)波.太陽能電池輸出特性的研究[J].廣西物理，2007（1）：39-41.

[2]王衛(wèi)東.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]張立祥.一種基于單片機(jī)的數(shù)控開關(guān)電源設(shè)計(jì)[J].電源世界，2009（4）：36-39.

[4]白炳良，周慰君.基于TL494開關(guān)電源的設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2009（2）：73-78.

[5]湛鵬飛.數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2012.

[6]鄭堯.數(shù)控開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].通信電源技術(shù)，2015（2）：136-138.

[7]毋炳鑫，吳必瑞，王曉雷，等.TL494控制智能開關(guān)穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)[J].中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（1）：71-74.

[責(zé)任編輯：鐘聲賢]

【作者簡介】蒙紀(jì)全，男，廣西超星太陽能科技有限公司項(xiàng)目部經(jīng)理助理；劉建麟，男，任職于廣西吉寬太陽能設(shè)備有限公司，從事相關(guān)科技項(xiàng)目申報(bào)工作。