最大功率点跟踪装置

输出与输入基本符合ｕｏ＝％／（１切）的关系。其控制电压和占空比呈线性关系，两者比率约为０．３。
３．２最大功率点跟踪控制器 最大功率点跟踪控制器包括Ａ／Ｄ转换、单片机、Ｄ／Ａ转换三部分组成，主要作用是通过它来计算控制 太阳能电池最大功率点的占空比的变化方向。本装置中选用ＳＴＣ８９Ｃ５１６ＲＤ＋单片机，是一种ＣＭＯＳ ８位单 片机，在电路中主要是起处理数据和控制数据的作用。单片机算法程序流程如下图３示：
Ｂｏｏｓｔ升压电路在最大功率点跟踪装置中起到调节太阳能输出电压的作用。图２为Ｂｏｏｓｔ变换器的基本 电路。其工作原理为：开关管驱动电路开通时间，０ｎ期间：二极管Ｄ反偏截止，电感Ｌ储能，电容Ｃ给负载 ＲＬ提供能量；开关管驱动电路截止时间如ｆｒ期间：二极管Ｄ导通，电感Ｌ经二极管Ｄ给电容充电，并向负载 ＲＬ提供能量。其输出电压为：
太阳能最大功率点装置系统集成和测试
图６是太阳能最大功率点装置的总体接线图，其中的单片机模块对应于图７。装置通过１２０Ｑ的采样电阻
４．１太阳能最大功率点装置系统集成
对％和己ｋ进行采样，１０ Ｑ电阻采样输出电流，通过三个模拟量输入通道将数据传送到单片机中，然后由单 片机进行算法的计算，输出一个控制量，再通过Ｄ／Ａ芯片转换，将输出量送到ＴＬ４９４芯片的控制端玩１，以控
㈩
因此，Ｂｏｏｓｔ电路的输入端电压Ｕ。可在０～Ｕ矗之间变化。只要太阳能电池具有合适的开路电压，通过
本系统中Ｂｏｏｓｔ电路的组成及元件参数为：电感（８２０ ｍＨ／１．５Ａ），二极管（５Ａ），电容（１６ Ｉ．ｔｆ／４００Ｖ），ＴＬ４９４ 驱动电路，ＭＯＳＦＥＴ（ＩＲＦＰ４６０）开关管，蓄电池（２４ Ｖ）。单晶硅太阳能电池的技术参数：开路电压２１．５Ｖ， 最大短路电流１．６３Ａ。Ｂｏｏｓｔ电路的调试顺序为，先空载，再电阻负载，最后蓄电池负载。测试结果表明Ｂｏｏｓｔ
１太阳能电池的基本特性以及最大功率点
太阳能发电的原理主要是半导体的光电效应。当太阳能电池的负载电阻为零时，所测的电流为电池的 短路电流。所谓短路电流ｋ，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电 池两端的电流。ｋ值与太阳能电池的面积大小有关，面积越大，ｋ值越大。同一块太阳能电池，其ｋ与入 射光的辐照度成正比：当环境温度升高时，ｋ值略有上升。当负载电阻无穷大时，所测得的电压为电池的 开路电压。太阳能电池的开路电压与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变化时， 太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高时，太阳能电池的开路电压值将 下降。 太阳能电池在不同温度、辐射强度下的电流．电压特性显示了通过太阳能电池（组件）传送的电流ｋ与电
Ｏ引言
太阳能发电具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，是一种具有广阔前景的绿色能源，己 成为国内外学术界和工业界研究的热点，在未来的供电系统中将占有重要的地位。中国太阳能资源非常丰 富，我国大多数地区年平均日辐射量在每平方米４千瓦时以上，而高性能的太阳能发电技术必然具有其良好 的市场潜力和广泛的应用前景。 太阳能发电主要存在两个问题：１）太阳能电池的输出特性受外界环境的影响大，温度和光照辐射强度 的变化都可以导致输出功率发生较大的变化；２）太阳能电池转换效率低且价格昂贵，初期投入大。因此， 充分利用太阳能电池所产生能量是太阳能发电系统的基本要求。本系统研究在太阳能电池和蓄电池之间加 设最大功率点跟踪装置，以使发电系统输出最大功率，更有效地利用太阳能。
续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至Ｏ，即电压达到开路电压‰。电池（组件）输出功率达到最大
收稿日期：２００９．０４．２４；修回Ｅｔ期：２００９．０８．３１
作者简介：周令琛（１９５旺），男，上海人，副教授，主要研究领域为电力电子技术。
万方数据
第３期
周令琛，王晓伟：太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实现
瓯＝警％＝尚
式中占空比Ｄ＝ｔｏ．／ｒｓ（开关周期）。
（１）
当Ｄ＝０时，Ｖｏ＝％，但Ｄ不能为ｌ，因此在ｏ≤Ｄ＜ｌ的变化范围内Ｖｏ大于输入电压‰（即％）。
在所描述的最大功率点跟踪系统中，Ｂｏｏｓｔ变换器的负载为蓄电池组，输出电压虬的值将被箝位于蓄
电池组两端的电压。由于输入端电压最高为太阳能电池的开路电压％，而‰＜Ｖｏ，如果Ｄ值过小，由上
‰。＝卜孚
Ｕｏ
（２）
当Ｄ在Ｄ。ｉ１１到１００％的区间内变化时，Ｂｏｏｓｔ电路输入输出端的电压应满足（１）式，在乩不变的情况 下，改变Ｄ将改变与Ｂｏｏｓｔ变换器输入端相连的太阳能电池两端的电压。由此可得
Ｕｉｔｌ＝＂嵩
改变Ｂｏｏｓｔ占空比Ｄ，就能找到与太阳能电池最大功率点对应的“。值，此时太阳能电池输出功率最大。
式可知，Ｂｏｏｓｔ电路在输出端产生的电压将会小于蓄电池池组两端的电压，从而无法对蓄电池组充电。因此 存在一个Ｄ的下限值Ｄｍ缸，在Ｄ＞Ｄ。ｉ。的情况下，太阳能电池才能对蓄电池组的充电电流产生影响。该值
万方数据
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上海第二工业大学学报
２００９年第２６卷
可按下列方法求出。设输入端电压为太阳能电池的开路电压％，则由上式可得
４．２
太阳能最大功率点跟踪装置带蓄电池负载测试 按照图６接线，在Ｂｏｏｓｔ电路的输出端接上蓄电池。由于蓄电池两端的电压在测试中基本不变，所以
调节ＰＷＭ的控制电压，会改变太阳能电池两端的电压，从而实现最大功率的目的。当减小ＰＷＭ的控制电
压（占空比减小）时，根据输入输出对应关系ｕｉｎ＝ＵｏＯ—Ｄ），太阳能电池电压‰就增大。反之，太阳能电
压％在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池（组件）电路短路，即Ｕ＝Ｏ，此时的电流为短路电流ｋ：
如果电路开路，即Ｉ＝０，此时的电压为开路电压‰。太阳能电池（组件）的输出功率等于流经该电池（组件）
的电流与电压的乘积，即Ｐ＝ＩＵ。 当太阳能电池（组件）的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池（组件）的电压从Ｏ（短路条件下） 开始增加时，电池（组件）的输出功率亦从０始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继
摘
要：阐述了太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计和实现。该装置是为了使光伏电池输出最大功率，主要是由
Ｂｏｏｓｔ电路和最大功率点跟踪控制器两部分组成。通过Ａ／Ｄ转换电路将三个参数Ｕｉ。（太阳能电池电压）、Ｕｏ（蓄电 池充电电压）和ｌｏ（蓄电池电电流）输入到８９Ｃ５２单片机处理，再由所设计的内部算法程序计算出达到最大功率所 需的控制信号，然后由Ｄ／Ａ转换电路将其转换成模拟信号，去控制ＰＷＭ（脉宽调制）电路，从而改变Ｂｏｏｓｔ电路 的占空比Ｄ，使得光伏电池电压与其最大功率点的值对应。该装置的性能由一组实验测试数据得到证实。 关键词：Ｂｏｏｓｔ变换电路；最大功率点跟踪；脉宽调制式 中图分类号：ＴＭ６１５ 文献标识码：Ａ
制ＰＷＭ的宽度Βιβλιοθήκη 从而调节Ｂｏｏｓｔ电路的占空比Ｄ，来控制太阳能输出电压％，使之与最大功率点对应的电
压相匹配。
图６太阳能最大功率点跟踪装置总接线图．
Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ｔｏｔａｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
万方数据
Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃｈａｒｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ＴＬＣ２５４３ ｃｈｉｐ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｆｉｇ．５
图５
ＴＬＣ５６１８与单片机的接线图
ｃｈｉｐ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
Ｔｈｅ ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇ ｃｈａｒｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ＴＬＣ５６ １ ８
２最大功率点跟踪装置的设计方案
图ｌ为最大功率点跟踪装置的系统框图。太阳能电池组经Ｂｏｏｓｔ（直流．直流升压变换器）电路对蓄电池 组充电。系统由Ａ／Ｄ芯片采样蓄电池的电压和电流，再通过最大功率点跟踪控制器寻找出太阳能电池最大功 率点，给出控制信号，经ＰＷＭ（脉宽调制式）驱动电路调节Ｂｏｏｓｔ变换器的占空比Ｄ，从而改变Ｂｏｏｓｔ变 换器的Ｕｍ（即太阳能电池的输出电压），使其与太阳能电池组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使太 阳能电池组始终输出最大功率，充分利用太阳能。系统中最大功率点跟踪控制器由单片机系统实现。 系统中最大功率跟踪过程实际是一个太阳能电池功率自寻优的过程。对于以蓄电池作为负载的情况， 考虑到充电过程中蓄电池两端的电压变化与温度和辐射强度引起的厶变化过程相比是一个渐变过程，所以 只需测量蓄电池组电流厶的变化，使其始终保持在当前时刻下的最大值，即可确定太阳能电池组工作在最 大功率点。系统中蓄电池组的厶经采样后，进行Ａ／Ｄ转换，在最大功率点跟踪控制器中将当前时刻的采样电 流厶（助与上一时刻的采样电流Ｉｏ（ｋ一１）相比较，确定功率变化的方向，再结合上～时刻占空比Ｄ的变化，直 接确定当前时刻Ｄ应增大还是减小。
第２６卷第３期
１ＱＱ！生！旦
！Ｑ旦型些Ｑ里！幽鱼坠！兰坠Ｑ塑￡Ｑ坚！呈竺型笙型！坚堕型
太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实现
周令琛，王晓伟
（上海第二工业大学电子与电气工程学院，上海２０１２０９）
上海第二工业大学学报
Ｖ０１．２６Ｎｏ．３
墨坚！ＱＱ！
文章编号：１００ｌ－４５４３（２００９）０３．０１７６．０７
３．３
ＰＷＭ（脉宽调制）驱动电路 在本装置中采用芯片ＴＬ４９４作为ＰＷＭ（脉宽调制）驱动电路，它可以输出一定频率的脉宽调制波，用
来控制开关元件的导通或截止。
３．４
ＬＣＤ液晶显示器 液晶显示器在装置中主要用来显示采集到的Ｂｏｏｓｔ升压电路的电压和电流，以便观察蓄电池的充电情
况。本装置的显示部分使用的是１２８ｘ６４点阵型液晶显示模块ＯＣＭｌ２８６４液晶，它可显示各种字符及图形， 可与ＣＰＵ直接接口，具有８位标准数据总线，６条控制线及电源线。 ４
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第３期
周令琛，王晓伟：太阳能发电最大功率点跟踪装置的设计与实现
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内计算出来的数字量的占空比转换成模拟量信号输入到Ｂｏｏｓｔ变换器驱动电路ＰＷＭ控制芯片的控制端。本装 置输出选用的是ＯＵＴＡ通道（由１６位数据的高四位决定）。图５为单片机与Ｄ／Ａ芯片ＴＬＣ５６１８的接线图。
图４ ＴＬＣ２５４３芯片与单片机的接线图
图３最大功率点跟踪算法流程图
Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｆｌｏｗｃｈａｒｔ ｆｏｒ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
算法程序是通过功率的变化来计算占空比的增减。首先初始化厶和Ｄ（七），Ｄ（ｋ－１），然后采集蓄电池电流 厶和Ｄ（幼，比较当前时刻的电流厶（七）和前一时刻的电流厶（ｋ－１），如果Ｉｏ（ｋ）＞／ｏ（ｋ－１），说明功率是增加的，再比 较当前时刻的占空比Ｄ（七）和前一时刻的Ｄ（ｋ－１），根据功率曲线，若Ｄ（Ｄ＞Ｄ（ｋ－１），说明太阳能电池的电压 Ｕ。是减小的，是往输出大功率方向的，所以为了使“。减小，Ｄ（尼）应增大，反之则减小。同理，如果厶（助＜ 厶（缸１），Ｄ（助＞Ｄ（ｋ－１），则Ｄ（七）要减小，反之则增大。这样不断地进行比较、计算，从而不断改变占空比， 达到最大功率跟踪的目的。 本装置中采用的ＡＩＤ转换电路是一块具有１２位精度的Ａ／Ｄ转换芯片ＴＬＣ２５４３。它具有１ １个模拟信号输 入口，可以对１１个数据进行Ａ／Ｄ转换。在本装置中用了三个采样通道，分别将外部的太阳能电池电压、蓄电 池的电压，和蓄电池的充电电流转换成单片机的数字信号以便单片机的数字处理。ＴＬＣ２５４３与单片机的连接 如图４示。Ｄ／Ａ转换芯片采用１２位精度的ＴＬＣ５６１８，它有两个模拟量输出通道可供选择。其作用是将单片机
的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压‰，又称为最大工作电压；该点所对应
的电流，称为最大功率点电流ｋ又称为最大工作电流：该点的功率，则称为晟大功率尸矗。太阳能电池在不 同温度、辐射强度下的Ｐ－Ｖ特性是一组具有各自一个最大功率点的曲线。太阳能电池的输出是随着电压的
变化而不规则变化的，只要控制太阳能电池两端的电压跟踪％，就能实现最大功率的输出。
３各部分单元电路的设计和调试
３．１
Ｂｏｏｓｔ直流一直流升压电路
图１最大功率点跟踪装置框图
Ｆｉｇ．１ Ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ
图２ Ｂｏｏｓｔ变换器的基本电路
Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｏｏｓｔ
ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ