??? MPPT（Maximum Power Point Tracker）即峰值功率跟蹤器,，是太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)" title="發(fā)電系統(tǒng)">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)P_M以及與最大功率點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的電壓U_Mp和電流I_Mp,。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(duì)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。

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??? 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(hào)”太陽能賽車研制的?！白啡仗?hào)”太陽能賽車的太陽能電池陣列總面積為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" title="工作電壓">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(hào)”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(cè)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),。
1.1 MPPT的硬件設(shè)計(jì)
??? MPPT的硬件包括MPPT主回路、微處理器,、信號(hào)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,。

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??? MPPT的電壓轉(zhuǎn)換器采用Buck DC/DC轉(zhuǎn)換器，以MOTOROLA場(chǎng)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Buck DC/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Buck DC/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Buck DC/DC轉(zhuǎn)換器的占空比" title="占空比">占空比即可改變太陽能電池陣列的工作電壓^[3]。MPPT的Buck DC/DC轉(zhuǎn)換器的電感L＝4mH,，臨界負(fù)載電流I_ok為：
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??? 當(dāng)電流I>0.35A,、占空比D>0.7時(shí)，在場(chǎng)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Buck DC/DC轉(zhuǎn)換器的降壓比等于PWM控制信號(hào)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Buck DC/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(hào)，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(hào)占空比D的值,，最后輸出PWM信號(hào)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(hào)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(hào)的隔離與放大，以保證微處理器部分免受干擾,。
1.2? MPPT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,。

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??? 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。
2 MPPT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(zhǎng)搜索獲得最大功率的D_max，則可認(rèn)為與最大功率點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)占空比D在D_max附近,。D_max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(duì)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(zhǎng),，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(zhǎng),；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(zhǎng)^[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(zhǎng)將可以設(shè)為較小值,，有利于盡快找到最大功率點(diǎn)。
3 MPPT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(hào)采集板搭建的測(cè)量系統(tǒng),，檢測(cè)“追日號(hào)”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(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)性能的改善,。

?? ?“追日號(hào)”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,。

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??? 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,。

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??? 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。

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??? 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),?？梢姡畲蠊β庶c(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(duì)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(duì)較低的工作區(qū)域,。這也說明控制策略是MPPT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(duì)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MPPT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(duì)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(guó)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％,，太陽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,。
參考文獻(xiàn)
1 [日]桑野幸德著,，鐘伯強(qiáng)譯.太陽電池及其應(yīng)用.北京:科學(xué)出版社，1990.2:41
2 www.rvpowerproducts.com
3 http://www.hta-bi.bfh.ch/E/induel/r_and_d/MPPTnG/MPPTnG.html
4 蔡宣三.最優(yōu)化與最優(yōu)控制.北京:清華大學(xué)出版社,，1982:192~193