一種新光伏MPPT算法及硬件實現(xiàn)和實用性分析

摘要：在分析了目前幾種比較主流的光伏電池最大功率點跟蹤(MPPT)算法的基礎(chǔ)上提出了一種新的光伏電池MPPT算法。利用PIC16F877單片機(jī)構(gòu)建的最小系統(tǒng)控制的Buck電路，實現(xiàn)了新算法的實驗驗證，新算法較大地提高了MPPT控制器的性價比。同時，這里還提出了一種新的基于IR2110構(gòu)建的單管高邊功率NMOSFET驅(qū)動電路，提高了變換器的變換效率。
關(guān)鍵詞：光伏電池；最大功率點跟蹤；硬件電路

1 引言
近年來，隨著地球上化石能源不斷被人類開采并消耗，石油可用儲量不斷減少，太陽能光伏電池系統(tǒng)作為可控性強(qiáng)，利用率高，并儲存方便的一種對太陽能進(jìn)行利用的方式，為人類解決日益嚴(yán)重的能源和環(huán)境危機(jī)提供了一個很好的發(fā)展方向。
然而，目前光伏電池的太陽能轉(zhuǎn)化率還不高，對其商業(yè)化形成了巨大的阻力。故提高光伏電池的轉(zhuǎn)化率是推動光伏電池產(chǎn)業(yè)和解決能源危機(jī)的主要途徑。從光伏電池材料和制造工藝角度提高光伏電池的轉(zhuǎn)化率是做法之一。此外，還可通過光伏電池控制器，利用MPPT技術(shù)，使光伏電池輸出功率達(dá)到最大。目前為達(dá)到良好的動態(tài)特性，研究出的光伏MPPT方法很多，但通過控制器提高轉(zhuǎn)化率的前提條件是控制器的性價比要合理，據(jù)此，從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，通過引入新的MPPT算法，以有限的硬件條件實現(xiàn)了光伏電池的最大功率輸出。

2 MPPT算法思想
2．1 MPPT算法的基本原理
圖1示出光伏電池陣列的電路原理圖。

顯然，流經(jīng)等效二極管的電流IVD隨光伏電池陣列輸出電壓Uoc增大而增大，且增大到二極管的導(dǎo)通閾值電壓時，Iph大部分從等效二極管分流，從而使輸出電流IL較小，所以設(shè)計MPPT控制器的思想是通過控制器將Uoc鉗制在等效二極管完全導(dǎo)通之前的某一電壓值，使光伏電池的實際輸出功率是當(dāng)前光照和環(huán)境溫度條件下的最大功率。
2．2 傳統(tǒng)MPPT算法
恒電壓法是最早的一種MPPT控制方法，不同光照強(qiáng)度下，光伏電池陣列的最大輸出功率點(MPP)的電壓近似相等。利用這一特性，將光伏電池輸出電壓固定在此電壓上，實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。此方法無法較準(zhǔn)確地實現(xiàn)MPPT控制。
擾動觀察法，即爬山法，是一種比較實用的MPPT控制算法，這種方式雖在一定程度上減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，但由于周期性尋優(yōu)，會對系統(tǒng)的輸出電壓造成周期性的波動。
電導(dǎo)增量法是目前跟蹤MPP快速而準(zhǔn)確的算法之一，但其缺點是：對硬件的要求非常高，特別是要求模擬信號的數(shù)字化轉(zhuǎn)換精確而快速，且必須要對信號做高質(zhì)量的濾波處理，否則無法實現(xiàn)找到MPP的功能。此外還有同擾動觀察法一樣占用CPU時間太多的缺點。
2．3 新MPPT算法一過山車法
過山車法是針對傳統(tǒng)算法占用CPU時間過多，或?qū)τ布筮^高的缺點提出的，對于中小功率的太陽能光伏系統(tǒng)而言，此算法性價比較高。由于該算法是在Buck電路實驗平臺上發(fā)展起來的，故該算法適用的主要范圍是負(fù)載端的阻抗比光伏電池MPP處的等效阻抗小的情況。
該算法基本思想是：①利用過山車法，即先將光伏電池陣列兩端電壓U1鉗制在蓄電池電壓U2處，再逐漸增加U1，使光伏電池陣列的輸出功率點由小到大，經(jīng)過MPP后，繼續(xù)增大U2，使輸出功率比最大輸出功率小于一個閾值△P1。輸出功率由小變大，再變小，一定會經(jīng)過一個最大點。在輸出功率變化過程中，記錄下光伏電池陣列輸出最大功率時的輸出電壓U_max；②根據(jù)光伏電池陣列輸出最大功率時記錄下的U_ max，利用穩(wěn)壓程序(可利用PID控制)將U1鉗制在記錄下的U_max上，實現(xiàn)光伏電池陣列以最大功率穩(wěn)定地輸出能量；③當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化(由于在短時間內(nèi)，環(huán)境溫度的變化對系統(tǒng)輸出功率的變化影響不大，可以忽略)，即輸出電壓U_max時的輸出功率P1與之前的P_max之間差值超過一定閾值△P時，若P1>P_max，說明光照強(qiáng)度增加了，MPP處的輸出電壓也相應(yīng)增大了，所以此時應(yīng)啟動按增加光伏電池陣列輸出電壓的方向用過山車法尋找MPP程序；如果P1P_max，說明光照強(qiáng)度減小了，MPP處的輸出電壓也相應(yīng)減小，故此時應(yīng)啟動按減小光伏電池陣列輸出電壓的方向用過山車法尋找MPP程序。整個程序的流程圖如圖2所示。