1 引 言
太陽能是一種清潔高效的可再生能源。在陽光充足的白天，屋頂的光伏電池將太陽能轉化成電能，供人們在夜晚使用。據專家預測，到2040年，全球的光伏發電量將占世界總發電量的26%，2050年后將成為世界能源的支柱。
2 最大功率點跟蹤
最大功點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱PT）系統是一種通節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統。圖1示出光伏電池輸出功率Pb與輸出電壓ub和輸出電流ib的關系。圖中A為普通控制器使光伏電池工作在12V，僅輸出53W時的功率點（一般功率點）;B為MPPT控制器使光伏電池始終工作在最大功率點，從而 輸出高達75W時的功率點（最大功率點）。
最大功率點主要受環境溫度和太陽光強的影響。在太陽光強不變的情況下，隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓降低，最大輸出功率隨之降低。當溫度不變，太陽光強增加時，光伏電池的開路電壓基本不變。短路電流大幅增加，最大輸出功率大幅增加。圖2示出線性系統電路圖。
首先，計算消耗在R1上的功率為：
然后，式（1）兩邊對R1求導可得：
由式（2）可得，當r=R1時，dP1/dR1=0，此時P1取最大值。
由于光伏電池系統受到光強、溫度、太陽光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓ub、輸出電流ib和內阻r也處于不停變化之中。只有使用DC/DC變換器實現負載的動態變化，才能保證光伏電池始終輸出最大功率。
MPPT需要及時準確地采樣蓄電池當前的充電電壓和充電電流。兩者相乘得到當前的充電功率，與前一時刻的充電功率相比較，調節PWM的占空比，從而使光伏電池始終工作在最大功率點。圖3示出具體的控制策略。
3 MPPT的硬件設計
由于光伏電池的輸出特性呈非線性，且變化幅度較大，所以使用單端反激式變換器。該變換器由升降壓變換器加隔離變壓器推演而來，能夠簡單高效地提供直流輸出，廣泛用于功率100W左右的小型開關電源中。控制器工作于電流斷續模式。
圖4示出MPPT的硬件設計原理。其中，微控制器采用MC68HC08SR12微處理器，使用A/D模塊采樣電源的輸出電流和輸出電壓，繼而調節PWM占空比，最終實現光伏電池的最大功率輸出。MPPT控制策略的效果好壞直接取決于電壓和電流的采樣是否精確。
圖5示出電壓采樣電路。它采用光耦PC817和三端穩壓管TLA31相配合。TLA3l是一種可編程穩壓管，當變壓器的次級輸出電壓uout變化時，光耦的輸出電壓隨之變化，A/D會采樣到當前的充電電壓。
圖6示出電流采樣電路。由它對采樣電阻Rsam兩端的電壓進行采樣，并使用差分式運算放大器放大輸出到MCU的A/D采樣端，從而得到主電路中的電流值。由于信號需要精確采樣，并且與電源隔離，因此使用線性光耦HCNR200。另外，單片機及周邊電路的用電可直接通過蓄電池隔離變壓得到，系統無須外部電源供電，十分方便。
1 引 言
太陽能是一種清潔高效的可再生能源。在陽光充足的白天，屋頂的光伏電池將太陽能轉化成電能，供人們在夜晚使用。據專家預測，到2040年，全球的光伏發電量將占世界總發電量的26%，2050年后將成為世界能源的支柱。
2 最大功率點跟蹤
最大功點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱PT）系統是一種通節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統。圖1示出光伏電池輸出功率Pb與輸出電壓ub和輸出電流ib的關系。圖中A為普通控制器使光伏電池工作在12V，僅輸出53W時的功率點（一般功率點）;B為MPPT控制器使光伏電池始終工作在最大功率點，從而 輸出高達75W時的功率點（最大功率點）。
最大功率點主要受環境溫度和太陽光強的影響。在太陽光強不變的情況下，隨著溫度的升高，光伏電池的開路電壓降低，最大輸出功率隨之降低。當溫度不變，太陽光強增加時，光伏電池的開路電壓基本不變。短路電流大幅增加，最大輸出功率大幅增加。圖2示出線性系統電路圖。
首先，計算消耗在R1上的功率為：
然后，式（1）兩邊對R1求導可得：
由式（2）可得，當r=R1時，dP1/dR1=0，此時P1取最大值。
由于光伏電池系統受到光強、溫度、太陽光入射角等多種因素的影響，其輸出電壓ub、輸出電流ib和內阻r也處于不停變化之中。只有使用DC/DC變換器實現負載的動態變化，才能保證光伏電池始終輸出最大功率。
MPPT需要及時準確地采樣蓄電池當前的充電電壓和充電電流。兩者相乘得到當前的充電功率，與前一時刻的充電功率相比較，調節PWM的占空比，從而使光伏電池始終工作在最大功率點。圖3示出具體的控制策略。
3 MPPT的硬件設計
由于光伏電池的輸出特性呈非線性，且變化幅度較大，所以使用單端反激式變換器。該變換器由升降壓變換器加隔離變壓器推演而來，能夠簡單高效地提供直流輸出，廣泛用于功率100W左右的小型開關電源中。控制器工作于電流斷續模式。
圖4示出MPPT的硬件設計原理。其中，微控制器采用MC68HC08SR12微處理器，使用A/D模塊采樣電源的輸出電流和輸出電壓，繼而調節PWM占空比，最終實現光伏電池的最大功率輸出。MPPT控制策略的效果好壞直接取決于電壓和電流的采樣是否精確。
圖5示出電壓采樣電路。它采用光耦PC817和三端穩壓管TLA31相配合。TLA3l是一種可編程穩壓管，當變壓器的次級輸出電壓uout變化時，光耦的輸出電壓隨之變化，A/D會采樣到當前的充電電壓。
圖6示出電流采樣電路。由它對采樣電阻Rsam兩端的電壓進行采樣，并使用差分式運算放大器放大輸出到MCU的A/D采樣端，從而得到主電路中的電流值。由于信號需要精確采樣，并且與電源隔離，因此使用線性光耦HCNR200。另外，單片機及周邊電路的用電可直接通過蓄電池隔離變壓得到，系統無須外部電源供電，十分方便。
4 軟件分析
由于太陽光強和環境溫度的變化是一個緩慢的過程，故參數采樣無須高實時性，每隔幾秒鐘采樣一次即可滿足要求。產生中斷的時間間隔是可以調整的，初期較短，可以迅速逼近最大功率點;后期較長，防止系統在最大功率點附近振蕩。為防止系統誤判斷，每次控制比較，均進行3次，當3次的結果一致時，才實施相應的控制策略，否則重新采樣比較，這樣便最大限度地保證了系統的正常運行。圖7示出實現MPPT的軟件流程。
由于單片機與開關電源一起工作，相互間的電磁干擾較大，而A/D采樣要求精確。故需要使用軟件數字濾波。這里采用均值濾波，即通過多次采樣求平均值的方法，以達到去除干擾的目的。
蓄電池采用循環充電方式。以12V蓄電池為例，在充電電壓達到14.7V最高限制電壓后。保持該電壓繼續充2～4小時達到飽和。最大充電電流不允許超過額定容量的25%（如容量為100A時的蓄電池，最大充電電流為25A）。采用保險絲實現硬件電路的過流保護。圖8示出軟件保護示意圖。
5 實驗結果與展望
表1給出了系統的主要組成部分及性能指標。圖9反映了2005年12月20日早上9點到下午4點的功率P，MPPT充電器的充電情況及最大功率點的變化情況。12月20日的天氣變化較快，時而有陽光，時而多云，時而陰沉。最高MPPT可達到50W，最小只有5W左右，這反映出太陽能電源輸出功率的多變性。
經測試，該MPPT充電系統反映出了太陽能電源輸出功率的多變性，并可以快速跟蹤最大功率點，這對光伏系統的穩定高效工作起到了至關重要的作用。努力提高系統的效率和可靠性，進一步改進MPPT算法，則是下一步研究的重點。
