基于Buck变换器的光伏电池最大功率跟踪器.doc

基于Buck变换器的光伏电池最大功率跟踪器
吴透明，姚国兴，孙磊
（华南理工大学电力学院，广东省绿色能源重点实验室，广东广州510640）
摘要：文章论述了利用Buck电路对光伏电池进行最大功率点跟踪的原理，提出了一种基于单片机的，以Buck电路为核心的MPPT系统，并对以蓄电池为负载的系统进行了实验研究。通过实验结果表明该控制器达到了MPPT功能。
关键字:太阳能；蓄电池；最大功率跟踪；PIC单片机
中图分类号:TM61
MaximumPowerPointTrackerforSolarCellBasedonBuckConverter
WUTouming,YAOGuoxing,SUNLei
(ElectricPowerCollege,SouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhouGuangdong510640,China)
Abstract:ThispaperintroducestheprinciplesofphotovoltaicmaximumpowerpointtrackingusingBuckconverter.Amicrocontroller-basedMPPTsystemwithBuckconverterisproposed.ExperimentrearchisproceededtotheMPPTsystemwithbattry-load.ExperimentresultsindicatethatthecontrollerhastheMPPTfunction.
Keywords:solarenergy;battery;MPPT；PICmicrocontroller
1引言
光伏电池是太阳能发电的核心部分,具有将太阳能转换为电能的功效。光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的热点，但是光伏发电存在两个主要问题[4]：第一，光伏电池的输出特性受外界环境影响大，当温度和光照辐射强度变化时，其输出特性会发生较大的变化；第二，光伏电池的转换效率低而且价格昂贵，初期投入较大。因此，为了充分利用光伏电池所产生的能量，通常在光伏电池和负载之间串联最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,MPPT)电路，从而实现最大功率输出。
2光伏电池的特性
光伏电池在一定光照强度和一定温度的情况下输出特性曲线如图1：

图1光伏电池的V-I特性曲线和V-P特性曲线
当外部环境变化时，光伏电池输出发生变化，太阳能光伏电池的V-I输出特性如下：

图2不同光照强度（上）条件下、不同温度（下）条件下的光伏组件V-I输出特性曲线
由光伏电池的V-I特性曲线可以看出，短路电流主要受太阳光照强度影响，而开路电压主要受温度影响。在光照和温度一定的条件下，光伏电池的最大功率点只有一处，其对应的电压和电流为最大功率电压和最大功率电流。因此，必须在光伏电池与负载之间增加MPPT电路，当外部环境或者负载变化时，使光伏电池都工作在最大功率点附近，以提高光伏电池的利用效率。
3MPPT控制技术的实现
3.1最大功率跟踪原理
光伏电池是一个非线性电源，其输出电压和电流不仅受到光强和温度的影响，还决定于负载的性质和状况。在光伏电池的伏安曲线中，光伏电池的输出特性曲线与负载特性曲线的交点即为光伏电池的工作点[5]。如果工作点处于最大功率点，光伏电池所产生的电能被充分利用，反之它所产生的电能没有被充分利用。
使用直流电源加可变电阻来模拟光伏电池的输出特性曲线，实验电路如图4所示。图中虚线框中的为模拟的光伏电池，它由一个直流电源和一个可变电阻组成，电
压就是模拟光伏电池的输出电压。虚线框外为功率变换电路，包括DC/DC变换器和负载。DC/DC变换器为Buck电路，Buck电路拓扑如图5所示。

图3光伏电池实验等效电路

图4Buck电路拓扑
图4中和是变换器的输入电压和输出电压，是平均输入电流。D是占空比，是负载，对于理想的Buck电路有：
（1）
（2）
（3）
由（1）~（3）可得
（4）
所以可以将Buck变换器和负载看作是一个等效的可变电阻，它的大小和占空比D和负载有关。如果用P表示模拟光伏电池的输出功率，对于整个实验模型有
（5）
（6）
将（5）代入（6）消去可以得到
（7）
当=/2时，有最大功率输出
（8）
根据式（7）得出光伏电池的P-U曲线，如图5所示，该曲线与光伏电池的P-U曲线特性相似，说明使用本方法代替光伏电池进行实验是可行的，当的电压为电压源的一半即=时光伏电池获得最大功率输出。所以在不变的情况下通过改变D使=可以实现光伏电池的最大功率跟踪。

图5模拟光伏电池功率电压曲线
3.2控制方法
光伏电池的最大功率跟踪点控制方法很多[5]，如开路电压法，短路电流法，