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太陽能賽車峰值功率跟蹤器的設(shè)計(jì)
摘要：峰值功率跟蹤器(MPPT)的功能是提高太陽能電池的輸出功率，使太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作在最大輸出功率點(diǎn)。介紹了用于清華大學(xué)“追日號”太陽能電動(dòng)賽車的MPPT的基本組成和控制策略。該MPPT采用BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器，將Philips公司的80C552微處理器作為MPPT的中央控制單元(ECU)，應(yīng)用窮舉法和成功失敗法兩種直接優(yōu)化方法對太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)實(shí)現(xiàn)跟蹤。關(guān)鍵詞：太陽能電池太陽能車MPPT
太陽能賽車是利用太陽能電池發(fā)電驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車。太陽能電動(dòng)賽車的電器系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
MPPT(MaximumPowerPointTracker)即峰值功率跟蹤器，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件。眾所周知，在確定的外部條件下，隨著負(fù)載的變化，太陽能電池陣列輸出功率也會(huì)變化，但是存在一個(gè)最大功率點(diǎn)Pm以及與最大功率點(diǎn)相對應(yīng)的電壓UMp和電流IMD。當(dāng)工作環(huán)境變化時(shí)，特別是日光照度和環(huán)境溫度變化時(shí)，太陽能電池陣列的輸出特性曲線也隨之變化，與之相對應(yīng)的最大功率點(diǎn)也隨之改變，如圖2所示。通常來講，太陽能電池輸出特性曲線的變化與日光照度的變化是成比例的[1]。但在實(shí)際應(yīng)用中，日光照度的變化再加上工作溫度的變化，使得太陽能電池輸出特性的變化很復(fù)雜。
在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中沒有采用MPPT，而是直接把太陽能電池陣列與蓄電池并聯(lián)工作時(shí)，由于陣列的輸出狀態(tài)受到電池、電機(jī)工作狀態(tài)的限制，輸出功率往往不在陣列的最大功率點(diǎn)。MPPT的作用是使太陽能電池陣列工作在最大輸出功率點(diǎn)。它是高效率的DC／DC變換器，相當(dāng)于太陽能電池輸出端的阻抗變換器。MPPT是太陽能車、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、太陽能水泵上常用的功率提升部件。MPPT能使太陽能電池陣列的輸出功率增加約15％～36％[2]。
1太陽能賽車的MPPT方案設(shè)計(jì)
本文所述MPPT是為清華大學(xué)“追日號”太陽能賽車研制的�！白啡仗枴碧柲苜愜嚨奶柲茈姵仃嚵锌偯娣e為6．67m2，最大輸出功率為825W，開路電壓在160V～170V之間，根據(jù)太陽能電池陣列輸出特性試驗(yàn)，得到陣列最大功率點(diǎn)電壓在129．6V～137．7V之間。由此確定蓄電池組由10個(gè)12V／20Ah(5小時(shí)放電率)的鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，額定電壓為120V，工作電壓在120V～140V之間。蓄電池工作電壓在太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)電壓附近。
MPPT要實(shí)現(xiàn)太陽能電池工作電壓到蓄電池電壓的轉(zhuǎn)換，其本身是需要消耗能量的；同時(shí)MPPT應(yīng)用在“追日號”太陽能車上，它的重量將增加整車功率的消耗。如果MPPT的轉(zhuǎn)換效率過低，應(yīng)用MPPT所獲得的太陽能電池陣列輸出功率的增加有可能被MPPT本身消耗掉，甚至起反作用。在工作中，由于日光照度、溫度等的變化，太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)(MPP)將隨工作環(huán)境的變化而時(shí)刻變動(dòng)著，MPPT必須隨時(shí)監(jiān)測陣列輸出狀態(tài)的變化，根據(jù)智能的控制策略判斷最大功率點(diǎn)的位置，調(diào)整陣列的工作電壓跟蹤最大功率點(diǎn)電壓，由此實(shí)現(xiàn)MPPT的功能。因此，MPPT不僅是一個(gè)高效率的DC／DC轉(zhuǎn)換器，更是一個(gè)智能的控制系統(tǒng)。
1．1MPPT的硬件設(shè)計(jì)
MPPT的硬件包括MPPT主回路、微處理器、信號調(diào)理電路、PWM驅(qū)動(dòng)電路、電源、通信接口等六個(gè)部分。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。
MPPT的電壓轉(zhuǎn)換器采用BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器，以MOTOROLA場效應(yīng)管作為電子開關(guān)器件；采用PWM控制方式，工作頻率為16kHz。由上述的太陽能電池陣列電壓與蓄電池電壓可知，MPPT的BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器的降壓比在0．6～1．0之間。在這個(gè)降壓比范圍內(nèi)，MPPT的轉(zhuǎn)換效率在86％～99％之間。
由于采用了BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器，在太陽能電池陣列的工作電壓高于蓄電池電壓的情況下，通過調(diào)整BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器的占空比即可改變太陽能電池陣列的工作電壓[3]。MPPT的BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器的電感上L=4mH，臨界負(fù)載電流Iok為：
Iok=(Vout/2Lf)/(1-D)
Iok|D=0.7=120V/(2×4mH×13kHz)(1-0.7)≈0.35A
當(dāng)電流I>0．35A、占空比D>0．7時(shí)，在場效應(yīng)管開關(guān)的一個(gè)周期內(nèi)，電感的電流是連續(xù)的，則BuckDC／
DC轉(zhuǎn)換器的降壓比等于PWM控制信號的占空比。所以MPPT的控制策略是通過調(diào)整PWM的占空比D來調(diào)整BuckDC／DC轉(zhuǎn)換器的降壓比，以達(dá)到調(diào)整太陽能電池陣列工作電壓為最大功率點(diǎn)(MPP)電壓的目的。
MPPT微處理器的工作步驟是：首先采集MPPT主回路的電壓及電流信號，然后根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤策略判斷最大功率點(diǎn)的位置，確定PWM信號占空比D的值，最后輸出PWM信號給驅(qū)動(dòng)電路。微處理器是MPPT的控制核心，這里采用飛利浦80C552單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)MPPT的控制。而且微處理器可以通過RS232接口與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)MPPT和PC機(jī)之間信息的交換。
在信號調(diào)理電路部分，設(shè)計(jì)了線性光耦電路來實(shí)現(xiàn)信號的隔離與放大，以保證微處理器部分免受干擾。
1．2MPPT的軟件設(shè)計(jì)
MPPT的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括初始化、采樣、窮舉法跟蹤、成功失敗法跟蹤、PWM輸出、串口通訊等模塊。系統(tǒng)程序流程圖如圖4所示。
MPPT最大功率點(diǎn)的跟蹤程序分為窮舉法和成功失敗法兩種，MPPT依據(jù)太陽能車不同的運(yùn)行情況，分別調(diào)用這兩種最大功率點(diǎn)跟蹤程序，以實(shí)現(xiàn)MPPT的功能。
2MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤策略
由于光電轉(zhuǎn)換過程的物理方程難以在實(shí)際應(yīng)用中準(zhǔn)確獲取參數(shù)，同時(shí)太陽能電池陣列的工作條件是不斷變化著的，因而太陽能電池陣列的輸出特性方程在太陽能車的應(yīng)用中成為一個(gè)存在極大值的約束不確定方程。因此MPPT的最優(yōu)化問題采用直接搜索法求取。
MPPT的跟蹤策略為：首先，在啟動(dòng)或重啟的時(shí)候采用窮舉方法進(jìn)行全局尋優(yōu)，找到當(dāng)前最大功率點(diǎn)；然后，在以后的工作過程中采用成功失敗法動(dòng)態(tài)跟蹤最大功率點(diǎn)。窮舉方法，即在D=[0，1]范圍內(nèi)以一定步長搜索獲得最大功率的Dmax，則可認(rèn)為與最大功率點(diǎn)相對應(yīng)的最優(yōu)占空比D在Dmax附近。Dmax將作為成功失敗法的起點(diǎn)。窮舉法的目的是在全局范圍內(nèi)迅速找到最大功率點(diǎn)，窮舉法應(yīng)用于太陽能車啟動(dòng)和系統(tǒng)重啟這兩個(gè)系統(tǒng)對最大功率點(diǎn)完全未知的情況。其中包括太陽能車進(jìn)入陰影、電池陣列被遮擋等光照情況發(fā)生較大變化以及司機(jī)人為重新啟動(dòng)系統(tǒng)等情況。
成功失敗法的基本思想是每一次搜索都改變步長，若第k次搜索中沿某一方向搜索成功，則陣列輸出功率增大，那么第k+1次則仍沿這一方向搜索，并可擴(kuò)大步長；若第k次搜索失敗，則第k+1次應(yīng)沿反方向搜索，并縮小步長[4]。在窮舉法找到全局最優(yōu)的基礎(chǔ)上，成功失敗法的步長將可以設(shè)為較小值，有利于盡快找到最大功率點(diǎn)。
3MPPT的試驗(yàn)研究
為驗(yàn)證MPPT的工作效果，采用LabVIEW軟件并結(jié)合PC-1216-K3信號采集板搭建的測量系統(tǒng)，檢測“追日號”太陽能車發(fā)電系統(tǒng)在加入MPPT之前與加入MPPT之后系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的電壓、電流值，并計(jì)算出相應(yīng)的功率。通過這些數(shù)據(jù)曲線便可以看出MPPT對太陽能發(fā)電系統(tǒng)性能的改善。
“追日號”太陽能車發(fā)電系統(tǒng)在沒有MPPT情況下的輸出電壓、功率曲線如圖5所示。
可以看到，陣列的平均輸出功率約為125W，工作電壓約為117V。在加入了MPPT之后，太陽能電池陣列的發(fā)電輸出功率有了明顯的提高，其輸出曲線如圖6所示。
由圖6可以看出，太陽能電池的輸出功率約為170W，有了明顯的提高。單從太陽能電池陣列的角度來看，其發(fā)電功率提高了約40W，增幅約為36％。但是從太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成來看，在系統(tǒng)中增加了MPPT，其本身也要消耗一部分功率。經(jīng)過MPPT后的輸出功率才是真正有效的功率，其輸出曲線如圖7所示。
圖6、圖7中前76個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)是窮舉法全局尋優(yōu)的過程，在找出全局最大功率點(diǎn)后，采用成功失敗法跟蹤最大功率點(diǎn)�？梢�，最大功率點(diǎn)的跟蹤過程是動(dòng)態(tài)的。平均來看，窮舉法與成功失敗法得到的最大功率點(diǎn)有一微小差距，但是總體來看，成功失敗法獲得的最優(yōu)值始終接近最大功率點(diǎn)。雖然窮舉法在最初的尋優(yōu)過程不在最大功率點(diǎn)附近，但是整個(gè)窮舉法尋優(yōu)過程只有3．8s，而且很快達(dá)到最大功率點(diǎn)附近，因此窮舉法的最初尋優(yōu)過程對陣列輸出功率造成的損失是有限的�？傮w來看，太陽能電池陣列通過MPPT的平均輸出功率約為145W，陣列工作電壓維持在132V左右。值得注意的是，MPPT在工作過程中的轉(zhuǎn)換效率沒有達(dá)到理想的99％，其原因有：在MPPT的工作過程中，成功失敗法一直處于尋優(yōu)過程，MPPT也一直處于動(dòng)態(tài)的調(diào)整過程中；在成功失敗法尋優(yōu)過程中，有時(shí)會(huì)調(diào)整MPPT進(jìn)入轉(zhuǎn)換效率相對較低的工作區(qū)域。這也說明控制策略是MPFF的重要組成部分，控制策略能夠影響MPPT的工作效果。要想進(jìn)一步提高M(jìn)PPT系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，需要對整個(gè)尋優(yōu)算法及控制過程進(jìn)行優(yōu)化。
由圖5可以看出，沒有MPPT的太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的平均輸出功率約為125W，這個(gè)功率明顯低于MPFF的輸出功率：145W(最大功率點(diǎn))。這與蓄電池電壓只有117V左右有關(guān)系，因?yàn)樾铍姵仉妷哼^低，使太陽能電池陣列工作電壓遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)電壓。
對比兩個(gè)試驗(yàn)，MPPT使太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率增加了20W，增幅為16％，MPPT實(shí)現(xiàn)了跟蹤最大功率的功能。MPPT的應(yīng)用效果是比較顯著的，這也說明了MPPT在太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)中起著重要作用。當(dāng)然作者所做的工作與國外的先進(jìn)水平相比還有一定差距，還有許多地方需要改進(jìn)與優(yōu)化。
通過在太陽能電動(dòng)賽車上使用MPPT，并嘗試不同的控制算法，使得太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率提高了約16％，太附能賽車的行駛性能得到了改善。太陽能電池MPPT的應(yīng)用不僅局限于太陽能賽車，還可以更廣泛地應(yīng)用于其它太陽能發(fā)電系統(tǒng)，有效地提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。當(dāng)然，MPPT在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中所起作用的大小不僅與控制算法有關(guān)，還與主回路的工作效率有很大的關(guān)系，如果主回路的變換效率不高，再好的控制算法也不能有效地提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。
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