MPPT在礦用太陽能路燈的應(yīng)用

楊立宏

摘 要：現(xiàn)在節(jié)能減排是全社會的共識，我國煤礦眾多，占地面積較大，實行三班倒工作制，職工人數(shù)多，廠區(qū)照明路燈需求量大，應(yīng)用太陽能路燈可以節(jié)省大量的電能，安裝簡單，綠色環(huán)保，有著良好的經(jīng)濟效益和廣闊的應(yīng)用前景。太陽能電池一般都有明顯的非線性特性，如何提高整個光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化效率，使太陽能電池的輸出功率最大化一直是人們研究的關(guān)鍵點。該文討論了現(xiàn)在常用的太陽能電池最大功率點跟蹤控制法（MPPT）在礦用太陽能路燈的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排 太陽能電池 最大功率點跟蹤控制法

中圖分類號：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（c）-0027-02

現(xiàn)在大家日益重視節(jié)能減排，由于太陽能是一種資源豐富且無污染的能源，其研究利用引起各界的重視，許多公司都在加大投入研發(fā)利用太陽能。我國煤礦眾多，占地面積大，且位置偏遠(yuǎn)，日照充足，所以，高性能的太陽能路燈必然在許多煤礦有著良好的經(jīng)濟效益和廣泛的應(yīng)用前景。

太陽能轉(zhuǎn)化成電能目前主要有兩個問題：第一，只要溫度和光照強度的變化都可能導(dǎo)致太陽能轉(zhuǎn)化功率產(chǎn)生較大的變化；第二，太陽能電池把光能轉(zhuǎn)換成電能的效率低。所以，太陽能光伏系統(tǒng)的基本要求是充分利用太陽能電池所產(chǎn)生的能量。該研究在光伏電池和蓄電池之間加設(shè)最大功率點跟蹤控制裝置，使發(fā)電系統(tǒng)輸出功率最大化，可以有效地利用太陽能。

1 MPPT工作原理

MPPT實現(xiàn)最大功率的方法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、恒定電壓跟蹤法等，該設(shè)計采用擾動觀察法實現(xiàn)正常工作。采用擾動觀察法的優(yōu)點是控制思路簡單易操作，實現(xiàn)比較的容易，實現(xiàn)了跟蹤并控制最大功率點，使得光伏系統(tǒng)的利用效率大大提高。

光伏電池的輸出功率和其工作電壓有關(guān)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會有個唯一的最大值。

MPPT其實是一個自尋優(yōu)的過程，當(dāng)太陽能電池陣列特性和負(fù)載特性的交點位于陣列最大功率點相應(yīng)電壓Um左邊時，MPPT的控制作用是提高太陽能電池工作電壓，而當(dāng)兩者的交點在陣列最大功率點相應(yīng)電壓Um右邊時，MPPT的控制作用是降低太陽電池工作電壓，圖1說明了這個控制的過程。日照強度和溫度在很大程度上影響著太陽能陣列的開路電壓和短路電流，整個系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)變化很大，肯定會降低系統(tǒng)的效率，所以，太陽能電池陣列必須實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，使得太陽能電池陣列在任何日照和溫度下持續(xù)輸出最大功率。

例如：日照強度為1 200 W/m2下，U=18 V，I=1 A；U=22 V，I=0.8 A；U=31 V，I=0.7 A；可見31 V的電壓下輸出功率最大。

MPPT控制器主要功能是把采集到的主回路的直流電壓和輸出電流，通過公式計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤控制，圖2為應(yīng)用擾動與觀察法來實現(xiàn)對最大功率點追蹤控制的示意圖。

串聯(lián)擾動電阻R和MOSFET，在輸出電壓基本穩(wěn)定的情況下，通過不斷改變MOSFET的占空比，使得通過電阻的平均電流得到改變，最終引起了電流的擾動。于此同時，太陽能電池的輸出電流電壓也將隨著而變化，通過比較擾動前和擾動后太陽能電池輸出功率和電壓的變化，來控制后續(xù)周期的擾動方向的趨勢。如果擾動方向正確，光伏電池板輸出的功率將持續(xù)變大，下一周期則繼續(xù)朝同一方向擾動，增加輸出功率；反之，朝相反方向擾動。像這樣，循環(huán)執(zhí)行擾動與觀察，以此來控制光伏電池板輸出達(dá)到最大功率。

2 硬件電路設(shè)計

該系統(tǒng)采用PIC16F877芯片為控制芯片，DC/DC升壓電路在最大功率點跟蹤裝置中起著調(diào)節(jié)太陽能輸出給蓄電池的電壓的作用，最大功率點跟蹤控制硬件接線圖如圖3所示。

在DC/DC升壓電路中，第一步通過并聯(lián)100 K，1 K電阻組成電路，并對1K電阻R1兩端進(jìn)行A/D采集，采集電壓，間接得到輸出兩端電壓=101，電路右端輸出端電壓要求等于右端所需要電壓。通過=/（1-D），計算出D（的占空比），PWM1需要經(jīng)過上拉電壓15 V和光耦開關(guān)組合后一起來控制。接著通過R3，R4組成的電路采集R4兩端電壓，間接可以得到=101，將與比較，就是調(diào)整實際的，使得D=D-△D或D=D+△D（△D等于PWM脈沖周期的4%），然后經(jīng)過延時、采集、比較，直到得到精確的占空比D，能夠準(zhǔn)確得到輸出電壓，使得，算出電路總電流I=/R5，所以，太陽能電池輸出總功率P=×I，用改變太陽能電池當(dāng)時的輸出實際功率，來實現(xiàn)MPPT的正常工作。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)主要的控制作用都是由主控制軟件實現(xiàn)的，主要包括A/D采集模塊，MPPT模塊。系統(tǒng)重點在硬件設(shè)計，軟件設(shè)計相對較簡單，主程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

整個系統(tǒng)以PIC16F877單片機芯片為控制芯片來控制A/D采樣，DC/DC升壓，D/A轉(zhuǎn)換，采用最大功率點的跟蹤控制，實驗測試轉(zhuǎn)換效率由以前的8%左右提高到12%以上。對于我國許多煤礦，太陽能路燈具有節(jié)能、環(huán)保、安全、自動運行等特點，還可以成為礦區(qū)的一個亮化，有著廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟效益。

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