MPPT在矿用太阳能路灯的应用

杨立宏

摘 要：现在节能减排是全社会的共识，我国煤矿众多，占地面积较大，实行三班倒工作制，职工人数多，厂区照明路灯需求量大，应用太阳能路灯可以节省大量的电能，安装简单，绿色环保，有着良好的经济效益和广阔的应用前景。太阳能电池一般都有明显的非线性特性，如何提高整个光伏系统的转化效率，使太阳能电池的输出功率最大化一直是人们研究的关键点。该文讨论了现在常用的太阳能电池最大功率点跟踪控制法（MPPT）在矿用太阳能路灯的应用。

关键词：节能减排 太阳能电池 最大功率点跟踪控制法

中图分类号：TM92 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（c）-0027-02

现在大家日益重视节能减排，由于太阳能是一种资源丰富且无污染的能源，其研究利用引起各界的重视，许多公司都在加大投入研发利用太阳能。我国煤矿众多，占地面积大，且位置偏远，日照充足，所以，高性能的太阳能路灯必然在许多煤矿有着良好的经济效益和广泛的应用前景。

太阳能转化成电能目前主要有两个问题：第一，只要温度和光照强度的变化都可能导致太阳能转化功率产生较大的变化；第二，太阳能电池把光能转换成电能的效率低。所以，太阳能光伏系统的基本要求是充分利用太阳能电池所产生的能量。该研究在光伏电池和蓄电池之间加设最大功率点跟踪控制装置，使发电系统输出功率最大化，可以有效地利用太阳能。

1 MPPT工作原理

MPPT实现最大功率的方法有扰动观察法、电导增量法、恒定电压跟踪法等，该设计采用扰动观察法实现正常工作。采用扰动观察法的优点是控制思路简单易操作，实现比较的容易，实现了跟踪并控制最大功率点，使得光伏系统的利用效率大大提高。

光伏电池的输出功率和其工作电压有关，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。

MPPT其实是一个自寻优的过程，当太阳能电池阵列特性和负载特性的交点位于阵列最大功率点相应电压Um左边时，MPPT的控制作用是提高太阳能电池工作电压，而当两者的交点在阵列最大功率点相应电压Um右边时，MPPT的控制作用是降低太阳电池工作电压，图1说明了这个控制的过程。日照强度和温度在很大程度上影响着太阳能阵列的开路电压和短路电流，整个系统输出数据变化很大，肯定会降低系统的效率，所以，太阳能电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制，使得太阳能电池阵列在任何日照和温度下持续输出最大功率。

例如：日照强度为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；可见31 V的电压下输出功率最大。

MPPT控制器主要功能是把采集到的主回路的直流电压和输出电流，通过公式计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪控制，图2为应用扰动与观察法来实现对最大功率点追踪控制的示意图。

串联扰动电阻R和MOSFET，在输出电压基本稳定的情况下，通过不断改变MOSFET的占空比，使得通过电阻的平均电流得到改变，最终引起了电流的扰动。于此同时，太阳能电池的输出电流电压也将随着而变化，通过比较扰动前和扰动后太阳能电池输出功率和电压的变化，来控制后续周期的扰动方向的趋势。如果扰动方向正确，光伏电池板输出的功率将持续变大，下一周期则继续朝同一方向扰动，增加输出功率；反之，朝相反方向扰动。像这样，循环执行扰动与观察，以此来控制光伏电池板输出达到最大功率。

2 硬件电路设计

该系统采用PIC16F877芯片为控制芯片，DC/DC升压电路在最大功率点跟踪装置中起着调节太阳能输出给蓄电池的电压的作用，最大功率点跟踪控制硬件接线图如图3所示。

在DC/DC升压电路中，第一步通过并联100 K，1 K电阻组成电路，并对1K电阻R1两端进行A/D采集，采集电压，间接得到输出两端电压=101，电路右端输出端电压要求等于右端所需要电压。通过=/（1-D），计算出D（的占空比），PWM1需要经过上拉电压15 V和光耦开关组合后一起来控制。接着通过R3，R4组成的电路采集R4两端电压，间接可以得到=101，将与比较，就是调整实际的，使得D=D-△D或D=D+△D（△D等于PWM脉冲周期的4%），然后经过延时、采集、比较，直到得到精确的占空比D，能够准确得到输出电压，使得，算出电路总电流I=/R5，所以，太阳能电池输出总功率P=×I，用改变太阳能电池当时的输出实际功率，来实现MPPT的正常工作。

3 软件设计

该系统主要的控制作用都是由主控制软件实现的，主要包括A/D采集模块，MPPT模块。系统重点在硬件设计，软件设计相对较简单，主程序流程图如图4所示。

4 结语

整个系统以PIC16F877单片机芯片为控制芯片来控制A/D采样，DC/DC升压，D/A转换，采用最大功率点的跟踪控制，实验测试转换效率由以前的8%左右提高到12%以上。对于我国许多煤矿，太阳能路灯具有节能、环保、安全、自动运行等特点，还可以成为矿区的一个亮化，有着廣阔的应用前景和良好的经济效益。

参考文献

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