太阳能发电检测系统中MPPT算法的优化与单片机的实现

任 涛，钱 银，沈孝龙，吴 伟

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044）

太阳能发电检测系统中MPPT算法的优化与单片机的实现

任 涛，钱 银，沈孝龙，吴 伟

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京 210044）

为了提高太阳能发电系统的利用率，系统采用扰动观察法的MPPT控制策略实现对太阳能发电系统最大功率跟踪，但是在固定的变步长前提下，传统的扰动观察法会在最大功率点附近产生震荡且易受外界环境的影响，难以同时获得较快的响应速度和稳态跟踪精度。在此通过改变扰动法的占空比来解决传统扰动法带来的功率震荡和误判问题，同时系统控制器采用高性能低功耗的ATmega32单片机作为核心进行实验。测试结果表明，该方法能够保证太阳能系统快速、稳定地跟踪最大功率点，提高了充电效率。

太阳能发电；电量检测；最大功率点跟踪算法；单片机系统

由于石油价格的增长以及基于环境污染问题的考虑，可再生能源在发电系统中的地位日趋提升，特别是太阳能越来越受到国内外的关注并开发利用。比如我国利用太阳能干燥技术，发展蔬菜、水果、药材等精加工，这也是广大农村脱贫致富的一条有效途径。日本提出创世纪计划，即利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。如今欧洲的汽车行业既间接使用太阳能并网发电，同时也直接使用太阳能驱动汽车或为电池充电，这种太阳能汽车日益受到消费者信赖。

虽然具有无污染、无噪音、取之不尽、用之不竭等优点，太阳能产业发展迅猛，但目前仍存在转换效率低且价格昂贵等问题，为此，结合目前情况提出了一种适用于小办公区域或别墅使用的小用户太阳能发电及配电系统，其主要目的是在太阳能充电系统与负载之间接入最大功率点跟踪器（MPPT），这对于提高太阳能充电效率至关重要[1]。

1 MPPT算法及改进

1.1 MPPT原理

MPPT（Maximum Power Point Tracking）是指系统在任何温度和日照条件下都能跟踪光伏电池的最大功率，目前常用的控制方法主要有扰动观察法、电导增量法和恒定电压法等。其中一般的扰动观察法算法简洁、实现容易和跟踪效率高等特点得到广泛应用[2]。当采用定步长的扰动观察法时，步长越短，光伏系统在最大功率点附近振荡的幅度越窄，能量损失越小，但达到最大功率点需要扰动的次数就越多，所用的跟踪时间也越长，反之当步长较长时跟踪速度快，但在最大功率点附近波动幅度大，能量损失也严重，因此太阳能系统最大功率点跟踪的速度和稳态精度难以同时保证，只能根据实际需求折中选取扰动步长，以获得可接受的动态和稳态性能。

1.2 MPPT算法的改进

论文中提出一种占空比扰动法作为改进MPPT的算法[3]，通过当前输出功率与前一时刻功率比较，决定下一时刻直流变换器的占空比D是增加或减小，从而确定输出电压的调整方向，当时，输出功率dP/dD=0达到最大值，这种方法直接把占空比D作为控制参数，只需要一个控制循环，从而减小了控制器设计的复杂度.在扰动观察法中[4]，调整占空比D时还存在调整步长大小的选择问题：步长过小，跟踪时间拉长而影响系统的动态响应特性；步长过大，输出功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳态误差变大。该问题通过加入步长α的自动在线调整器得到解决，同时保证系统的动、稳态性能，调整器公式如下：

其中α(k)为占空比D的调整步长，其值为0到1之间；dP=P(k)-P(k-1) 表示功率的变化大小；M为常数。

|dP|α(k)较小，表示功率的变化主要是由于占空比步长的调整引起的； |dP|α(k) 较大,则表示功率的变化主要是由环境因素造成的，因此，当光伏电池由于外界因素引起最大功率点大幅度漂移时，步长α变大，从而保证能够快速跟踪到新的最大功率点；当功率值变化较小时，调整器会假设系统处于稳态,α变小来保证控制信号的平滑.

图1为改进的MPPT 控制算法程序流程图。图中slope变量作为步α的符号位，决定占空比D的变化方向，取+ 1 或- 1，当功率减小时，slope 取反；反之,slope不变。其他变量如e 决定控制器的跟踪精度, M 则决定系统的柔韧性，两者根据实际的控制要求与系统特性决定。

图1 改进的MPPT控制算法程序流程图Fig. 1 Flow chart of improved MPPT control algorithm and program

2 MPPT单片机的实现

2.1 总体设计思路

MPPT模块主要包含五个模块：太阳能电池板，BUCK DC/DC模块，单片机PWM输出控制模块，PWM驱动模块，蓄电池。MPPT控制的硬件结构如图2所示。

图2 MPPT控制的硬件结构框图Fig. 2 Hardware structure of MPPT control diagram

2.1.1 Buck DC/DC转换模块

在本设计中太阳能电池是不能直接供给蓄电池的，一是因为这样不能充分利用太阳能电池所发电能，二是对蓄电池有害，在此提出降压式变换器方案[5]，其原理如图3所示。

图3 BUCK 型充电电路Fig. 3 BUCK charging circuit

PV+为光伏发电输入端，VB+和VB-为蓄电池的输入端。它采用脉宽调制的方法，利用增强型P沟道MOS管工坐在开关状态将太阳能太阳能电池输出的直流信号变换成具有可变占空比的方波信号，以此来改变太阳能电池阵列的等效负载。MOS管与太阳能电池阵列串联，CPU产生的PWM信号经过NPN三极管驱动，驱动MOS管开关。D3为瞬态电压抑制二极管（TVS），对MOS管进行箝位保护，防止MOS管的VGS超过20 V。D1和D2为“防反充”二极管，只有当太阳能输出电压高于直流变换器输入电压，直流变换器输出电压高于蓄电池输入电压时才能导通，反之截止从而保证电路的安全运行。电容电感在这里起滤除波纹的作用。因为输入电流脉动会引起对输入电源的电磁干扰，所以在输入端加入2 200μF的电解电容滤波。

D4为续流二极管，线圈在通过电流时会在两端产生感应电动势，当电流消失时其感应电动势会对电路中元件产生反向电压，当反向电压高于元件击穿电压时会损坏电路，续流二极管并联在两端，当流过线圈的电流消失，保护电路中其他元件。并且电感可以通过它给负载提供持续电流，以防止负载电流突变，起到平滑电流的作用。CPU根据采样所得实时功率改变PWM占空比D，当D上升时导通时间变大，充电电流上升，反之下降，实现最大功率点跟踪。

2.1.2 PWM模块

ATmega32的优点就是自带的PWM发生器，内置的3个定时器都可以产生PWM波形，TC0和TC2只有八位的频率精度，TC1可以达到十六位精度并且具备两个输出通道，可以产生两路不通占空比的PWM波形。并且可以通过修改控制字调整定时器工作模式，调整输出PWM的频率和占空比，可以极大简化了电路设计的难度。PWM输出模块如图4所示。

2.1.3 ATmega32电路

图4 PWM输出模块Fig. 4 PWM output module

ATmega32单片机具有高速度、低功耗、抗干扰性好、高度保密、驱动能力强等优点，ATmega32单片机具有ADC所以在此转换功能和定时计数器的相位修正PWM功能，所以在此利用ATmega32来作为MPPT控制部分的核心来设计PWM输出频率和占空比，电路如图5。

2.1.4 电压电流检测模块

图5 ATmega32单片机电路Fig. 5 Microcontroller ATmega32 circuit

扰动观察法的MPPT算法在实际运行中由于光照，环境温度的变化会引起较大的功率振荡，所以在MPPT系统中，电压电流的数据需要采集过滤[6]。在此设计一个简单的滤波检测模块，优化算法在扰动观察法中引入统计学地方法，即采集十个数据运用冒泡法排序剔除最大值和最小值，再求平均值。具体算法如图6所示。

图6 电压电流检测模块Fig. 6 Voltage and current detection module

2.2 实验测试

为了验证所提出算法的有效性，实验选用的太阳能电池的标准测试条件为AM1.5光谱，1 000 W/m2，测试温度25 ℃。

2.2.1 BUCK变换器的检测

BUCK变换器的性能主要是看其输出输入比，测量结果如图7（测量是在PWM波的占空比为0.4的情况下进行的）。

图7 BUCK变换器输入输出比Fig. 7 BUCK converter with input and output ratio

数据分析：变换器的输出输入比并不与初始设定的占空比大致一致。基本满足性能指标。

2.2.2 最大功率点的调试

数据分析：由于以稳压源来模拟太阳能电池，有一定局限性，所测得充电功率较小，数据不是非常精确，且带有MPPT功能的充电控制器在性能上并不能看出比不带有MPPT的性能好，但大致看来，功率检测部分数字较为准确，带有MPPT的充电控制器充电效能较好数据分析如表1。

表1 模拟太阳能电池给蓄电池充电数据Tab.1 The data of simulation solar battery charging

3 结 论

在太阳能发电系统中，优化MPPT算法有利于降低系统成本，提高太阳能发电率。本文主要分析了传统扰动观察法的不足之处，然后通过调节占空比来避免外界光强发生快速变化而引起的错误判断的现象。整个太阳能发电系统是在实验室条件下进行的，用实验室电源模拟太阳能电池，具有一定的局限性，但本实验的重点不在于测量太阳能电池板的性能，而是要检验功率检测的精确度和最大功率点跟踪的实际效果，因此是能够从一定程度上反应设计效果的。从测量结果来看该改进算法能准确跟踪太阳能最大功率点，且动态性能大大改善，有效地解决传统定步长扰动法的动态性能与稳态跟踪精度不能同时获得的问题，提高了充电效率。

[1]王飞，余世杰，苏建徽，等. 太阳能光伏并网发电系统研究[J].电工技术学报,2005,20(5):72-74, 91.

WANG Fei,YU Shi-jie,SU Jian-hui,et al.Research on photovoltaic grid-connected power system [J].Transacions of China Electrotechnical Society,2005,20(5):72-74, 91.

[2]周林, 武剑. 光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术,2008,34(6):1145-1152.

ZHOU Lin,WU Jian. Survey of maximum power point tracking techniques for photovoltaic array[J].High Voltage Technology,2008,34(6):1145- 1152.

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ZHANG Chao,HE Xiang-ning.Short-current combined with perturbation and observation maximum power point tracking method for phot-ovoltaic power systems [J].Proceedings of the CSEE,2006, 26(20):98-102.

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[6]卢琳,殳国华,张仕文.基于MPPT的智能太阳能充电系统研究[J].电力电子技术,2007,4(2):96-98.

LU Lin,SHU Guo-hua,ZHANG Shi-wei.Research on max point tr aching for solar-electr ic charging system based on microcontroller [J].Power Electronics,2007,4(2):96-98.

The optimization of MPPT algorithm in solar power system and MCU’s realization

REN Tao, QIAN Yin, SHEN Xiao-long, WU Wei
（College of Electronic and Information Engineering,Nanjing University of Information Science &Technology,Nanjing210044,China）

In order to improve the utilization rate of solar power systems, system uses the control strategy of MPPT disturbance observation method for solar power system with maximum power point tracking. But when the variable step size is fixed, traditional perturbation and observation method will generate the shock near the maximum power point and easily influenced by the external environment, it is difficult to obtain a higher response rate and the steady-state tracking accuracy at the same time. By changing the duty ratio of the traditional perturbation method, the power oscillation and false problem can be solved. at the same time, the system controller uses high performance and low power consumption ATmega32 microcontroller as the core experiment. The test results show that, this method can ensure the solar system quickly, stably track the maximum power point, which improves the charging efficiency.

solar energy power generation; power detection; the maximum power point tracking algorithm; single chip microcomputer system

TN06

A

1674-6236(2014)07-0102-04

2013-07-30稿件编号201407226

江苏省高等学校大学生实践创新训练计划第八期教改项目(11CX009)

作者简介：任 涛(1990—)，男，江苏扬州人。研究方向：信号与信息处理。