小功率光伏系统MPPT模拟控制电路

机电工程技术 2010 年第 39 卷第 08 期小功率光伏系统 MPPT模拟控制电路刘正奇 ， 李继东（ 海军蚌埠士官学校 ， 安徽蚌埠 233012）收稿日期 ： 2010 － 02－ 06摘要 ： 由于安装条件所限 ， 一些特殊场合无法安装大功率太阳能电池 ， 采用最大功率点跟踪技术可以在太阳能电池一定的条件下提高输出性能 。 常规 MPPT 方法不适用于小功率太阳能系统 ， 根据太阳能电池功率点分布的特有规律 ， 结合高效开关电源变换技术 ， 提出一种不需使用单片机 ， 采用模拟电路进行电压跟踪实现最大功率点跟踪的简便方法 。关键词 ： 太阳能电池 ； 最大功率点跟踪 ； 模拟电路 ； DC ／ DC 变换器中图分类号 ： TM615 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1009 － 9492(2010) 08－ 0079 － 031 引言在太阳能光伏 发 电 系 统 中 ， 由 于 受 环 境 因 素 的 影 响 ，其输出具有非线性特性 ， 造成太阳能电池与负载之间不匹配 ， 从而降低了太阳能电池的输出效率 ［ 1］ 。为提高电能的利用率 ， 最大功率点跟踪 MPPT （ Maxi-mum Power Point Tracking） 是一种有效的方法 ， 目前国内外关于最大功率点跟踪技术已经有很多方法 ， 如定电压跟踪法 、 扰动观察法 、 增量电导法 、 二次差值法等 ［ 2－5 ］ ， 这些控制方法各有其优缺点 ［ 6］ 。 太阳能光伏发电系统通常由太阳能电池组 、 蓄电池组 、 充放电控制设备等部分组成 。 以前研究出的最大功率点跟踪方法中 ， 对系统中各部分的动态模型参数设置过于复杂 ， 导致 这 些 方 法 的 实 现 难 度 大 ；另外 ， 以前的研究几乎都采用单片机作为最大功率点跟踪控制电路的核心元件 ， 存在着静态功耗较高 、 程序运行错误可能等缺陷 ， 对类似海上导航灯浮标等用途的小功率光伏发电系统实用性不强 。 根据太阳能电池功率点分布的特有规律 ， 结合高效开关电源变换技术 ， 本文提出一种不需使用单片机 、 采用比较简单的模拟电路进行电压跟踪 ， 从而实现太阳能电池最大功率点跟踪的简便方法 。2 太阳能电池的功率分布特点太阳能电池受到的外界影响因素 （ 温度 、 光照等 ） 很多 ， 且它的输出特性是非线性的 。 图 1 为某太阳能电池的伏安 （ 电压 － 电流 ） 特性 ， 图 2 为其伏瓦 （ 电压 － 功率 ） 特性 ［ 7 ］ 。从图中可以看到 ， 在常温下 ， 200W ／ m2 日照时 ， 最大功率点发生在电压约为 380V； 而 1000W ／ m2 日照时 ， 最大功率点 发 生 在 电 压 为 430V 附 近 ， 如 图 1 （ a） 和 图 2 （ a）中的虚线所示 。（ b） 相同日照不同温度图 1 太阳能电池的伏安特性（ a） 常温不同日照研究与开 发79机电工程技术 2010 年第 39 卷第 08 期从图 2 （ a） 可以归纳得出 ： 在某一日照下 ， 太阳能电池 的 最 大 功 率 点 发 生 在 其 开 路 电 压 的 80％ 处 。 需 要 说 明的是 ， 一般单晶硅和多晶硅太阳 能 电 池 都 符 合 这 个 特 性 ，但 非 晶 型 太 阳 电 池 的 最 大 功 率 点 在 其 开 路 电 压 的 约 68％处 ［ 8 ］ 。这样一来要解决的问题似乎就比较简单了 ： 对某块太阳能电池 ， 只要先测出其开路电压 ， 然后以此开路电压的80％ 为输出最大功率的标准电压 ， 使用中始终保持这个电压就能输出最大功率 。 其 实 不然 ！ 如 图 1 （ b） 和 图 2 （ b）中 的 虚 线 所 示 ： 在 同 一 日 照下 ， 温度为 50℃ 时 ， 太阳能电池的最大功率点发生在电 压 为380V； 温 度 为 0℃ 时 ， 最 大 功率点发生在电压为 520V。 随着日照和温度的变化 ， 太阳 能 电池 的 开 路 电 压 也 是 不 断 改 变的 ， 在某一温度和照度条 件 下满足最大功率点条件 ， 在 另 一温 度 和 照 度 条 件 下 则 不 能 满足 。 因此用固定的电压作 为 输出最大功率的标准电压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 。3 实现最大功率点跟踪的方法3．1 MPPT 实现策略及电路组成由 于 太 阳 能 电 池 的 最 大 功 率 点 电 压 约 为 开 路 电 压 的80％ ， 所以只要测量出太阳能电池板工作当时日照和温度下 的 开 路 电 压 ， 以 此 开 路 电 压 的 80％ 作 为 最 大 功 率 点 电压 ， 即可输出最大功率 。在工作过程中 ， 由 于 日 照 和 环 境 温 度 是 不 时 改 变 的 ，因此 ， 太阳能电池的开路电压也是随时变化的 ， MPPT 控制 电 路 应 每 隔 一 段 时 间 就 再 次 测 量 太 阳 能 电 池 的 开 路 电压 ， 并以新测得开路电压的 80％ 作为最大功率点电压 。图 3 为 MPPT控制电路的示意图 。 电路由开路电压取样电路 、 电压 比 较 器 、 储 能 电 容 器 和 DC／ DC 变 换 器 等 组成 。3．2 电路工作原理3． 2．1开路电压的取样开 路 电 压 取 样 电 路 由 定 时 脉 冲 产 生 器 、 取 样 电 阻 R1和 R2、 电压跟随器 A1 等构成 。 定时脉冲产生器产生一定宽度的取样控制脉冲控制继电器 J 的工作 ， K1 和 K2 分别为继电器 J 的常闭触头和常开触头 ， J 得电时 ， K1 由闭合变成断开 ， 切断太阳能电池的主供电回路 ， 太阳能电池接近开路 ； K2 则由断开变成闭合 ， 这时电压跟随器 A1 输出的电压为 ：Uo1 ＝ UosR2R1＋ R2其中 ： Uos 为太阳能电池的开路电压 ； Uo1 为电压 跟 随器 A1 的输出电压 。 这个输出电压 Uo1 反映了太阳能电池开路 电 压 的 大 小 ， 从 而 完 成 了 对 太 阳 能 电 池 开 路 电 压 的 取样 。为保证取样电压尽可能反映太阳能电池的实际开路电压 ， K1 （ Q1） 断 开 时 太 阳 能 电 池 的 负 载 电 流 要 尽 可 能 小 ，所以集成运算放大器和定时脉冲产生器等电路的电源由 C2供电 ； 考虑到取样期间太阳能电池并没有完全断开 ， Uos 会图 3 MPPT控制电路的示意图（ b） 相同日照不同温度图 2 太阳能电池的伏瓦特性（ a） 常温不同日照研 究与开发80机电工程技术 2010 年第 39 卷第 08 期比实际的开路电压略低 ， 再考虑取样结束后 C1 上的电压在保持期间会有微小下降等因素 ， R1 和 R2 的 取 值 应 使 取 样电压 Uo1 比理论值略高 。3． 2．2取样电压的保持取样输出电压使电容 C1 充电至 Uo1； 取样完成后 ， 取样控制脉冲结束 ， 继电器 J 失电 ， K2 由闭合变成断开 ， 电容器 C1 保持取样电压 Uo1， 在下一个取 样 脉 冲 到 来 前 ， C1上的电压基本不变 。 需要说明的是 ， 为了使 C1 上的电压在保持期间尽可能维持不变 ， 电压比较器 A2 应选用高输入电阻的运算放大器 ， 如 TL082 等采用场效应管作输入级的集成运放 。3． 2．3储能及电压转换取 样 完 成 后 ， K1 由 断 开 恢 复 成 闭 合 ， 接 通 太 阳 能 电池主供电回路 ， 太阳能电池对储能电容 C2 充电储能 。R3 和 R4 为储能电压取样电阻 。 随着充电的进行 ， C2上的电压逐渐升高 ， 电压比较器 A2 的同相输入端的电位Ui2 也逐渐升高 ：Ui2 ＝ Uc2R4R3＋ R4，其 中 ： Ui2 为 A2 的 同 相 输 入 端 电 位 ； Uc2 为 储 能 电 容C2 上的电压 。由 于 太 阳 能 电 池 的 输 出 受 到 光 强 、 温 度 等 因 素 的 影响 ， 要输出最大功率 ， 必须采用 DC／ DC 变换器将 C2 上储存的电能进行电压转换后对蓄电池充电 ［ 9］ 。当 Ui2 上升 至 高 于 Uo1 时 ， A2 输 出 高 电 平 ， 控 制 DC ／DC 变换器工作 ， 将 C2 上储存的电能转换成合适的电压和电流对蓄电池充电 。 这时 ， 储能电容 C2 一方面 接 受 太 阳能电池来的充 电 电 流 ， 同 时 也 在 为 DC／ DC 供 电 而 放 出 电流 ， 设置 DC／ DC 工 作 电 流 略 大 于 从 太 阳 能 电 池 来 的 充 电电流 ， 这样 C2 总的来说处于放电状态 ； 随着放电的进行 ，C2 两端的电压逐渐下降 ， Ui2 也跟着下降 ， 当 Ui2 下降到低于 Uo1 时 ， A2 输出低电平 ， DC ／ DC 停止工作 ； 这时储能电容 C2 上只有太阳能电池来的充电电流 ， C2 两端的电压逐渐 上 升 ， 储 能 增 加 Ui2 也 跟 着上 升 ； 当 Ui2 再 次 上 升 至 高 于Uo1 时 ， A2 再 次 输 出 高 电 平 控制 DC／ DC 变换器将 C2 上储存的电能转换成对蓄电池的充电电流 ； 如此周而复始 。R5 为电压比较器 A2 的回差反馈电阻 ， 决定电压比较器的 回 差 范 围 ， 使 电 压 比 较 器A2 在 Ui2 略 高 于 Uo1 时 输 出 高电平 ， 在 Ui2 略低于 Uo1 时输出低电平 ［ 10］ 。 R5 的值越大 ， 回差范围则越小 ， 太阳能电池越接近最大工作点 。 但过窄的回差范围会使 DC／ DC 变 换 器 频 繁 通 断 ， 选 择 容 量 较 大 的 储能电容 C2 时 ， 电压比较器 A2 可以选择较小的回差范围 ，这样可以使太阳能电池尽可能工作在接近最大功率点处 。3． 2．4取样电阻的设置条件当满足条件 ：Uo1 ＝ Ui2，UosR2R1＋ R2 ＝Uc2R4R3＋ R4 ，UosR2R1＋ R2＝ 0．8UosR4R3＋ R4，即 ： R2R1＋ R2＝ 0．8R4R3＋ R4时 ， 能使 C2 上的电压 Uc2 始终保持在 0．8Uos 上下 ， C2 就可以从太阳能电池得到最大功率 。3．3 几个具体问题（ 1） DC ／ DC 变换器的工作电流应略大于太阳能电池的峰值电流 ， 保 证 在 最 强 自 然 光 照 下 DC／ DC 变 换 器 工 作 有间隙 ， 这样才能不浪费太阳能电池输出的能量 。当然 ， 采用 PWM 控制充电电流的 DC／ DC 变换器更加有利 ， 在最大功率点附近的电压区间 ， C2 上电压较高时电流较大 ， C2 上电压较低时电流较小 ， DC／ DC 变 换 器 工 作可以没有间隙 ， 使储能电容 C2 上的电压较准确 地 跟 踪 最大功率点电压 。（ 2） K1 和 K2 的动作次序 。 K1 为常闭触头 ， K2 为常开触头 ， 在开始对开路电压取样时 ， 两个触头的动作次序应为 K1 先断开 、 K2 后闭合 ； 在结束取样转到正常工作状态时 ， 触头的动作次序应为 K2 先断开 、 K1 后闭合 。 用电磁继电器的一对机械触头很容易实现这样的动作次序 ， 而如果 K1、 K2 采用电子开关则应注意设置动作延迟 ， 否则得不到正确的开路电压取样值 。 图四电路中用 Q1 和 Q2 两只 PMOS场效应管作电子开关代替 K1 和 K2， 采用一只非门电路作反相和延迟 ， 可以做到取样结束转到正常工作状态时电子开关的动作次序为 Q2 先断开 、 Q1 后闭合 ， 保证取样电压正确反映太阳能电池的开路电压 。 但在开始对开图 4 PMOS管作电子开关的 MPPT 控制电路示意图（ 下转第 156 页 ）研究与开 发81机电工程技术 2010 年第 39 卷第 08 期路电压取样时 ， 电子开关的动作次序为 Q2 先闭合 、 Q1 后断 开 ， 这 时 电 容 C1 上 的 电 压 （ 反 映 开 路 电 压 的 分 压 值 ）建立时间会略微延长 ， 所以定时脉冲产生器输出的控制脉冲宽度也应略微加宽 。（ 3） 取样控制脉冲的宽度及重复周期的选择 。 为使取样电压尽可能反映太阳能电池开路电压的变化 ， 取样控制脉冲的重复周期越短越好 ， 但考虑到重复周期过短时会频繁取样而断开主充电回路造成能量损失 ， 并且自然光照条件下太阳能电池开路电压短时间内不会变化太大 ， 所以取样控制脉冲的重复周期不必太短 ， 以数分钟一次为宜 ； 在保证 C1 取得比较准确的开路电压分压值的前提下 ， 定 时脉冲产生器产生的控制脉冲的宽度应尽量窄 ， 这样才能使K1 断开的时间短 、 取样期间损失的能量尽可能少 。（ 4） 尽量减少电路自身的功耗 。 最大功率跟踪的目的是 从 小 功 率 太 阳 能 电 池 获 得 尽 可 能 大 的 输 出 功 率 ， MPPT控制器自身的功耗应尽可能小 ， 否则得不偿失 。 所以电路应采用微功耗元件和高效率 DC ／ DC 变换器 。 目前 DC ／ DC变换器的转换效率可以达到 85％～ 95％ ［ 11］ ， 用 ON／ OFF 端控 制 其 处 于 关 断 状 态 时 的 静 态 电 流 约 为 几 百 μ A， 如MAX5082 降 压 型 DC／ DC 集 成 电 路 的 典 型 关 断 电 流 为200μ A， 最大关断电流为 300μ A。 采用 MOS 场效应管作电子开关代替继电器也可以降低功耗 。4 结语采用简易的模拟电路构成的 MPPT控制器可以免除单片机电路静态功耗较大 、 程序运行异常等缺陷 ， 近似实现太阳能电池的最大功率输出 ， 具有价格低 、 连接简单等优点 ， 宜于在灯浮标等小功率应用场合推广 。参考文献 ：［ 1］ 江小涛 ． 太阳电池最大功率点跟踪研究 ［ J］ ． 通信电源技术 ，2005 （ 4）： 33－ 35．［ 2］ 雷元超 ． 光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究 ［ J］ ． 电工电能新技术 ， 2004 （ 3 ）： 32－ 35．［ 3］ 陈兴峰 ． 光伏发电的最大功率跟踪算法研究 ［ J］ ． 可再生资源 ， 2005 （ 1）： 8－ 11．［ 4］ 唐敏 ． 一种太阳能电池最大功率点跟踪的算法研究 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The Abstract: Aim at a new type anti-directional Bi-rotary (ADBR) results show that the improved engine torque increased on average motor used for automotive, a HIL of ADBR motor test is set up on 46.9%, average power increased 46.5%; lower average fuel the powertrain test-bed and design the interface module for the key consumption rate of 31.3%.node. This test-bed can be used to supervise and debugs correlative Key words: XB1P60F gasoline engine; performance; improvement; study parameters. The result of the experimentation validates the rationality of test-bed.Key words: test-bed; anti-directional bi-rotary motor; hardware-in-the-loop ZHANG Tao, LI Bin-li, LI Zi-yuAbstract: A new driving and controlling technology of plastics CHEN Taoinjection molding machine with servo motor-driven hydraulic pump, Abstract: The paper analyzed the impact of vehicle braking Detect as for the driving and controlling system, permanent magnet results of the interference factors, and proposes a solution through synchronous motor (PMSM) is used for the driving of hydraulic software filtering measures.pump., it makes great improvements in energy-saving performance, Key words: vehicle-Brake Detection; interference; software filtering fast dynamic response, stable pressure control and better low speed performance. After experiment and application, it is concluded that the new driving and controlling technology realizes better energy-saving performance and higher controlling precision.Key words: plastics injection molding machine; energy-saving technology; servomotor-driven hydraulic pump LU Fei-yueAbstract: This paper introduces a downtiming answering racer with Multi-lines based on principle of infrared remote-control answering input and AT89S52 Single Chip Microcomputer. Its system TANG Dian-bo composition and design of software and hardware are presented. The result after debugging and running shows that the system can achieve Abstract: In order to produce and apply green elevator, it is Timing Quick Answer and is simple and intuitionistic and quick and necessary to know the degree of elevator s green, so there must be a has high application worth.set of objective standard and scientific method to measure them. This Key words: single chip microcomputer; infrared remote-control; paper builds an appraisement mode that is from top to bottom and it timing quick answer; design include the three key factors of elevator green. Then it is able to calculate the score of elevator s green with multilevel analysis method and linearity weight method based on the mode. At the end of this article gives a practice example,it offers references for MA Xiang-li, WANG Wen-huan, LIN Ling-gan, WU Hai-feng, correlative people. Z H O NG D on g -c han gKey words: elevator; green; multilevel analysis; weight averageAbstract: The outward inclined cell wall lifting equipment of high-rise building and curved shape of the curve silicon-based photovoltaic cell electrical characteristics were introduced. LIU Zheng-qi, LI Ji-dong According to static equilibrium and method to find the location of centroid, lifting load capacity was calculated, and the curved track Abstract: Owing to the limitation of installation condition, high-for the engineering crane travel was designed. Finally, application power solar cell can t be used in some special sites, but the examples were introduced.application of maximum power point tracking (MPPT) can, in certain Key words: outward inclined wall; lifting; centroid; carrying conditions, strengthen their output capability. Conventional MPPT capacityisn t applicable to small power solar system, so we considering the distribution disciplinarian of solar cell s power point as well as high efficiency technology on switching power supply, put forward a simple and convenient way of maximum power point tracking, in WEI Jian-junwhich analog circuitry instead of single chip microcomputer (SCM) is applied. Abstract: Most of vehicle electrical design are based on CAN Bus Key words: solar cell; maximum power point tracking; analog today, if we can make a flexible data recording module based on circuitry; DC/DC converter CAN Bus, using the sufficient data platform, it could be benefit to vehicle calibration and function test.Key words: Data recording module; CAN Bus; LPC21361 1 1 2LONG Zhi-jun , WANG Qiu , XIE Guan-jian , CHEN Hai , GUO 2 1Jin-ji , YANG Huan-junPAN FengAbstract: The silicon-based photovoltaic cell electrical Abstract: Based on CC-Link fieldbus technology and the characteristics were described. The equivalent circuit, voltage communication function of PLC and touch screen, with combination characteristics of the light curve and the characteristics of silicon of the designed automation network teaching system, to discuss the cells were discussed. The sun tracker was proposed. And the CC-Link fieldbus technology hardware structure and software structure of silicon-based photovoltaic cells was designed. Finally, realization method, will focus on the detailed state of the application examples were introduced. communication between the equipments .Key words: silicon-based photovoltaic cells; equivalent circuit; V Key words: CC-Link; PLC; touch screen; network teaching systemcharacteristics; light curve; sun tracker1 2HE Feng , TIAN XiangZHANG Yin-xian10-08-73 Research on Energy-Saving Technology of Plastics Injection Molding Machine Driven by Servo Motor-Driven Hydraulic Pump 10-08-89 A Solution to Anti-Interference of Vehicle-Braking Detection10-08-92 Design of Infrared Remote-Control Downtiming Answering Racer with Multi-Lines Based on Single Chip Microcomputer 10-08-76 The Analysis for Elevator s Green Based on Multilevel Analysis and Weight Average Method10-08-95 Design and Application of High-Rise Building Outward Inclined Cell Wall Lifting Equipment10-08-79 MPPT Analog Controlling Circuitry of Small Power Photovoltaic System10-08-97 Data Recording Module Design Based on CAN Bus10-08-82 Silicon-Based Photovoltaic Cells Circuit Characteristics and Solar Power Applications10-08-100 The Network Teaching System of Automation Equipment Based on CC-Link10-08-102 Design of Video Surveillance System for the 10-08-85 HIL Test Bed Based on Anti-Directional Bi-Hospital of SCUTRotary MotorEngineering Institute, Guangzhou510640, China)(Guangdong Yizumi Precision Machinery Co., Ltd, Shunde528306, China)(Guangzhou Baiyun Industrial 2. Department of Applied Mechanics and (Automation Technology Institute, Shenzhen Polytechnic, Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou510275, China) Shenzhen518055, China)(1.Automation Engineering R 2.South China Abstracts