光伏系统MPPT控制器设计

方晓敏　王鑫

摘 要：光伏电池的输出最大功率点随着温度和辐照度的变化而时刻变化，为了提高光伏电池输出功率，需要通过最大功率控制器进行最大功率点追踪。文章设计了一种光伏系统MPPT控制器，包括DC-DC电路、功率开关管驱动电路、隔离电路、电压电流检测电路、辅助电源、通讯模块等。该控制器可以实现光伏发电系统最大功率点的快速准确追踪。

关键词：光伏系统；最大功率点；控制器

中图分类号：TM615 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）04-0094-02

Abstract： The maximum power point of photovoltaic cell varies with temperature and irradiance. In order to improve the output power of photovoltaic cell， it is necessary to track the maximum power point through the maximum power controller. In this paper， a MPPT controller for photovoltaic system is designed， including DC-DC circuit， power switch drive circuit， isolation circuit， voltage and current detection circuit， auxiliary power supply， communication module and so on. The controller can realize the fast and accurate tracking of the maximum power point of photovoltaic power generation system.

Keywords： photovoltaic system； maximum power point； controller

引言

光伏电池的输出最大功率点随着温度和辐照度的变化而时刻变化。但某一时刻，温度和太阳辐照强度一定时，光伏电池有唯一的最大功率输出点；MPPT（Maximum Power Point Tracking）技术就是通过最大功率控制器，使光伏电池时刻工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。本文设计了一种光伏系统MPPT控制器，可以实现光伏发电系统最大功率点的快速准确追踪。

1 系统整体设计

光伏发电系统包括太阳电池、MPPT控制器以及蓄电池和负载。光伏发电系统硬件电路主要包括Boost电路、驱动电路、信号采样和调理电路、控制电路。

光伏MPPT控制系统的结构如图1所示。硬件电路主要包括控制电路部分和功率电路部分，两部分之间采用光耦隔离，防止因功率电路中的强电对控制电路造成损害。

2 功率电路设计

2.1 DC-DC电路

本文采用Boost电路，其主要优点在于：在输出电感合适时，电路可以保持电流连续工作状态，而不用增加电容，减少系统复杂程度和成本；开关功率管的驱动电路也较为简单；同时，小型光伏发电系统的输出电压较低，需要对其升压才能满足负载和并网的需要。

Boost电路可以使输出电压高于输入电压，其基本拓扑结构如图2所示。Boost电路由输入电压Vin、储能电感L、功率开关管SW、续流二极管VD、输出电容C、负载电阻R等组成，其中功率开关管一般采用开关速度较快控制、逻辑简单的MOSFET管。

2.2 功率开关管驱动电路

主控制器采集电流、电压信号，根据最大功率点跟踪算法，输出相应的PWM波控制信号。但是，控制信号不能直接驱动功率开关管，需要加入驱动电路。MOSFET管驱动一般采用推免电路结构或专用MOSFET驱动芯片。本文采用的驱动芯片，驱动效果好、使用方便、空间小等优点。依据所选的MOSFET管的相关参数，选择德州仪器（Texas Instruments，TI）公司生产的UCC27324作为驱动器，该驱动器开关速度较快，最大可提供正负4A的驱动电流，可以满足本系统功率开关管的稳定运行。UCC27324驱动电路如图3所示。

2.3 隔离电路

由于功率电路部分的电压、电流值相对较高，并且变化频繁，为防止功率电路对控制电路的影响，提高系统稳定性和抗干扰能力，需要在功率电路与控制电路之间加入隔离电路。本文在功率开关管驱动电路前端加入高速光耦合芯片6N137。6N137光耦合器为单向信号传输，典型转换速率高达10Mbit/s，可以有效阻隔后端高电压信号对控制器的影响，同时具有温度、电流和电压补偿功能，其电路如图4所示。

3 控制电路设计

3.1 电压电流检测电路

本文的电压、电流检测电路用于检测太阳电池输出电压Vpv、输出电流Ipv，以及Boost电路输出电流Vo、输出电压Io。由于MPPT控制器需要快速、准确跟踪太阳电池最大功率点，因此对数据采集精度的要求也较高，采用TI公司的高速单电源轨至轨运算放大器芯片OPA2350，具备低噪音和高速运行特性，可以準确采集模拟信号至AD转换器。

电压检测采用电阻分压的形式检测，如图5所示，以太阳电池输出电压Vpv为例。在太阳电池输出端由电阻R3、R6、R7构成的分压电路，分压电路中的电阻阻值较大（千欧级），因此对整个光伏发电系统电路影响可以忽略不计。通过检测R3两端的电压值，就可以计算出Vpv。电阻R3两端的检测电压，通过电压跟随器进行阻抗匹配，然后输入至主控制器ADC采样引脚。本系统中太阳电池输出最大电压为22.1V，经过分压后R3两端的电压最大为1V，满足STM32中ADC输入电压范围。

电流检测采用串联小电阻采样的形式，如图6所示，以太阳电池输出电流Ipv为例。在太阳电池输出端回路中串联一个阻值小精度高的标准电阻R8作为取样电阻，检测出取样电阻两端的电压，经过计算得出该输出端回路的电流值。取样电阻的检测电压，经过差分电路和同相放大器进行处理，送至主控制器的ADC采样引脚。

3.2 辅助电源设计

根据系统中各芯片所需电源的要求，辅助电源电路需要提供3.3V、5V、12V电源。为保证各芯片正常、稳定运行，采用三端稳压集成电路LM7812、LM7805以及AMS1117-3.3分别得到所需的电压值。

3.3 主控制器

本文中主控制器的作用主要有电流、电压的采样、实现最大功率跟踪算法、输出PWM波控制功率开关管，与上位机交互、显示和存储系统运行状态。由于最大功率跟踪需要具备实时性和准确性，就要求主控制器具备良好的响应速度。本文采用STM32F103系列微控制器，采用32位的Cortex-M3内核，可以实现单周期乘法和硬件除法，处理速度快，最高工作频率为72MHz。

3.4 通讯模块

通讯模块采用海凌科电子的HLK-M35嵌入式串口无线网（UART-WIFI）模块。该模塊能实现串口与无线网之间的转换，具备内置TCP/IP协议栈和符合网络标准的嵌入式模块，具有低功耗、启动快、联网快的特点。将主控制器STM32的串口通信端口与HLK-M35模块相连，可以很方便的控制、检测光伏系统控制器的运行状态。

4 结束语

本文设计了一种光伏发电系统MPPT控制器，包括控制器、DC-DC电路、功率开关管驱动电路、隔离电路、电压电流检测电路、辅助电源、通讯模块的选型和参数设计。该控制器可以实现光伏发电系统最大功率点的快速准确追踪。

参考文献：

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