一种最大功率点跟踪方法的研究

时间：2024-07-06

蒙纪全刘建麟黄可煜马付杰

（1.广西超星太阳能科技有限公司，广西南宁 530000；2.广西吉宽太阳能设备有限公司，广西南宁 530000；3.南宁可煜能源科技有限公司，广西南宁 530000）

【摘要】在国家相关政策和文件精神的扶持和鼓励下，太阳能光伏发电近年来发展快速，在一般太阳能光伏发电中，都会涉及最大功率点跟踪。文章将研究和论述一种太阳能最大功率点跟踪的方法，并通过实验检测其有效性。

【关键词】太阳能光伏发电；最大功率点；电子设计竞赛；实验检测

【中图分类号】TM615 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2016）04-0036-03

0 前言

随着能源危机意识和环境保护意识的不断加强，近年来寻求新能源成为世界科技的一大熱点。其中，太阳的开发利用不会产生噪音、粉尘、大气等环境污染因素。但是，太阳能电池板的价格相对昂贵，并且在不同阳光下输出的能量有较大的波动，在相等功率输出的前提下，最大功率点跟踪技术能够有效地减少太阳能电池板的成本开支。本人在2014年大学生电子设计竞赛中所做的题目为《具有最大功率点跟踪的开关电源》，由于竞赛时间和平时知识面有限，用STM32为控制，通过冒泡排序法实现开关电源的最大功率点跟踪。赛后查阅相关文件对该知识有了更深一步的了解，目前使用比较普遍的有“爬山法”、数学建模法、模糊控制法、神经网络法，但是这些方法的操作比较繁琐且相当复杂。本文提供一种基于STM32的最大功率点跟踪方法，并通过使用直流稳压电源进行实践检验。

1 太阳能电池板的特性

太阳电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应，图1和图2是某太阳能光伏电池板的功率输出和电流输出实时采集串口打印的图像。与目前研究发现的情况一样，太阳能电池板的输出功率不是恒定不变的，而是在环境变化时有相等大的波动。

由图1的函数曲线图形我们可以观察到，太阳能板的输出功率先是随着输出电流的慢慢增大而跟着慢慢增大；当电流的输出大于某一个数值时，太阳板的输出功率开始快速地减小。从图2的函数曲线中可以看到，太阳能板的输出功率先是随着输出电压的变大而变大，当电压大于某一个数值时，太阳板的输出功率开始快速地减小，而且减小的趋势或者斜率相当明显。

2 最大功率点跟踪原理

太阳能光伏电池板在光照情况下会产生光电反应，在一个闭合回路由安培定律可知，闭合回路会产生电流，因此可以将太阳能光伏电池板看做是一个电源。只要是电源就必然会有电源的内部阻抗，因此进行电路分析，可把电源负和负载的闭合回路等效为如图3所示的电路。其中，V1为电源，设其电压值为U1，RS为电源的内阻，RL为负载电阻，设输出的功率为PO，负载RL上的电压为UO 。由串联电路欧姆定律可以得到：

（1）

由此推导式可以明显看出，当电源的内部阻抗和负载阻抗相等时，负载所得到的功率最大。由串联电路原理可知，此时电源内阻和负载上的电压相等。由串联电路原理可知，负载Uo上的电压方程式可以表述如下：

（2）

3 最大功率点跟踪原理MATLAB仿真验证

在上述基础上使用MATLAB进行数学仿真用以检验上述理论分析。设电源V1的电压值为35 V，电源内阻为10 Ω，负载电阻变化为5～25 Ω。分别以输出功率Po作为纵坐标，RL作为横坐标和PO作为从坐标，UO作为横坐标，可以得到图4和图5。从图4电源输出功率与负载大小关系图可以看到，当负载电阻值等于10 Ω时，电源的输出功率达到最大值。从图5电源输出功率与负载电压大小关系图可以看到，当负载电压值等于17.5 V时，电源输出的功率达到最大值。从而证明上述理论的可靠性。

4 最大功率点跟踪原理实践验证

在对本文所述原理进行实践验证时使用的供电电源为某品牌实验室电源，输出最大电压为30 V，輸出电流为3 A，模拟内阻采用8 Ω/200 W金属壳电阻，负载使用圆盘陶瓷可调电阻，最大功率点跟踪模块由TL494降压型开关电源和STM32F103组成。由于作者参加电子设计竞赛时采用DAC的方式控制开关电源输出是一种简单快捷的方法，没有使用PWM控制方法和涉及太多的算法，所以无需考虑PID控制等问题。具体做法如图6所示。

为了更进一步形象地说明STM32自动控制电源输出或数控可调电源，采用王卫东教授所著的《模拟电子技术基础》中的“图8-24”。这是一个纯模拟电路开关电源。

由虚短虚断理论可知，R2处的电压会和基准源相等。本文的做法是制造一个可以变化的反馈信号对输出电压进行调节，通过运放电路去改变它的反馈电压；具体说，就是用一块有双运算放大器的芯片去做一个差放还有一个电压跟随器，差放的同相端连接电源输出电压的电压采集，反相那边连接STM32单片机的DA模拟输出口，这2个量进行一个做差计算后输入电压跟随器，电压跟随器的输出连接到芯片的反馈，在这个时候调节了DA的输出，那么电源电压的输出电压就会发生相应的改变。改变反馈的差放数控调节电源输出的原理图如图7所示，R3是反馈电阻；R4是平衡电阻；R1、R2是运放的输入电阻。

在纯模拟电路的时候，图8中的电压可调输出的数学代数式如下：

（3）

反馈回来的电压信号经过图7所示电路图的时候发生了相当大的改变，由运放的虚短虚断原理可知，电压跟随器的输出等于芯片的基准UREF ，从而可以得到以下数学表达式：

（4）

G为差放的放大倍数，在一般情况下放大的倍数太大，会导致输出不稳定，因此将G取值为5；因为是用DA来实现可以调节的输出电压，所以和的大小是固定不变的。因此：

（5）

（6）

测试时将供电电源电流调到最大，否则在同一个电源给单片机供电时，电流从小调起，单片机开始不工作。测试数据记录见表1。

5 总论与展望

本文提出的最大功率点跟踪方法经过仿真与实践相结合的方式证实了其可靠性，这个方法简单实用，由于阳光照射强度变化速度不快，因此本方法是一种较好的微型光伏发电最大功率跟踪方法。

参考文献

[1]刘长青，钟水库，张纪波.太阳能电池输出特性的研究[J].广西物理，2007（1）：39-41.