摘 要：以英飛凌公司生產(chǎn)的16位單片機(jī)XE162F為核心處理器，以光伏發(fā)電為背景，旨在解決太陽(yáng)能利用率較低的問(wèn)題，為此提出基于英飛凌單片機(jī)的太陽(yáng)能高效利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的檢測(cè)和追蹤。采用舵機(jī)調(diào)整電池板的最佳俯仰角，使太陽(yáng)能電池板能正對(duì)并跟蹤光源。其中關(guān)于太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)的跟蹤監(jiān)測(cè)（MPPT）算法，我們采用了控制精度高，低成本的擾動(dòng)控制法進(jìn)行最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：XE162；光伏發(fā)電；最大功率點(diǎn)MPPT；擾動(dòng)控制算法

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3198（2012）03-0294-01

1 太陽(yáng)能電池特性解析

（1）太陽(yáng)能電池板是由許多個(gè)小的太陽(yáng)能電池組成，根據(jù)需要的電壓和電流，通過(guò)相應(yīng)的小太陽(yáng)能電池塊串并聯(lián)獲得。每個(gè)太陽(yáng)能電池都是有具有PN結(jié)的半導(dǎo)體組成，太陽(yáng)能電池的伏安特性與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和溫度息息相關(guān)。

（2）影響太陽(yáng)能輸出的影響因子，光照強(qiáng)度和溫度，還有其它影響，緯度地理位置的影響。

（3）太陽(yáng)能電池的功率電壓特性：太陽(yáng)能的最大輸出功率隨光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而變大，且在統(tǒng)一光照環(huán)境下有且只有一個(gè)最大輸出功率。在最大功率點(diǎn)左側(cè)，輸出功率隨電池端電壓上升而增大，近似線性增大的關(guān)系；最大功率點(diǎn)右側(cè)，輸出功率隨輸出電壓的增大而急劇下降。

（4）影響太陽(yáng)能電池功率電壓特性因子：我們主要研究了溫度這一影響因子。在統(tǒng)一光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能輸出功率變化趨勢(shì)先升后降。在達(dá)到最大功率點(diǎn)前，太陽(yáng)能電池輸出最大功率點(diǎn)隨電池溫度上升而下降。同時(shí)，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的工作電壓隨溫度上升而上升。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是基于英飛凌單片機(jī)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)監(jiān)測(cè)及跟蹤，系統(tǒng)由電源管理模塊、控制模塊、光強(qiáng)采集模塊、舵機(jī)模塊、人機(jī)交互模塊、顯示模塊等組成。我們只要針對(duì)英飛凌XE162這款單片機(jī)控制及內(nèi)部資源的研究。主控系統(tǒng)圖如圖1。

3 最大功率點(diǎn)（MPPT）控制之策略

（1）MPPT的工作原理：在一個(gè)規(guī)定的周期內(nèi)，微處理器定期地主動(dòng)調(diào)節(jié)PWM的占空比D，改變太陽(yáng)能電池的輸出電流，從而引起太陽(yáng)能電池的輸出電壓變化，檢測(cè)太陽(yáng)能電池輸出電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率，然后根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤策略尋找最大功率點(diǎn)的位置。

（2）最大功率跟蹤（MPPT）的算法：主要有開(kāi)路電壓控制法（Open Voltage，OV），恒定電壓控制法（Constant Voltage，CV），短路電流法（Circuit Current，CC），擾動(dòng)觀測(cè)法（Perturb and Observe，PO），增量電導(dǎo)法（Incremental Conductance，IC），模糊邏輯控制法（Fuzzy Logic，F(xiàn)L），人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法（Artificial Neutral Network，ANN），功率數(shù)學(xué)模型（Power Math Model，PMM），遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）等等。在這些方法中，目前最常見(jiàn)的是擾動(dòng)觀測(cè)法（P＆O）和增量電導(dǎo)法（IC），而擾動(dòng)觀測(cè)法以其控制精度高，實(shí)現(xiàn)成本低，優(yōu)勢(shì)更強(qiáng)。

（3）擾動(dòng)觀察法：是一種基于實(shí)時(shí)控制的MPPT控制算法，它通過(guò)對(duì)電路施加某一幅度的擾動(dòng)，改變太陽(yáng)能光伏電池的工作狀態(tài)，同時(shí)觀察并計(jì)算太陽(yáng)能電池板實(shí)際輸出功率大小。得到當(dāng)前時(shí)刻值后，將其與前一時(shí)間值進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)比結(jié)果確定下次擾動(dòng)方向，最終得出目標(biāo)值，從而使得太陽(yáng)能電池板的工作輸出最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。

擾動(dòng)控制量△D 為系統(tǒng)中非常重要的參數(shù)，為了加快系統(tǒng)尋優(yōu)速度，要求擾動(dòng)控制量△D要盡量大些。然而最大功率跟蹤精度又要求擾動(dòng)控制量△D盡量小。這是一對(duì)矛盾關(guān)系，為了實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制速度，必定以損失控制精度為代價(jià)。為了解決上述問(wèn)題，我們提出了極速擾動(dòng)觀測(cè)算法，保證以最少能量損失最快速度完成最大功率跟蹤控制的同時(shí)，精度達(dá)到最高。極速擾動(dòng)觀測(cè)算法是吸收了二分尋優(yōu)法這一快速尋優(yōu)特點(diǎn)的擾動(dòng)觀測(cè)法。加快系統(tǒng)尋優(yōu)速度，要求擾動(dòng)控制量△D 盡量大些。

（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證：經(jīng)過(guò)硬件設(shè)計(jì)，基本實(shí)現(xiàn)了英飛凌單片機(jī)對(duì)太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)的跟蹤和檢測(cè)，實(shí)時(shí)控制舵機(jī)讓太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)向并捕獲最大功率點(diǎn)的位置，測(cè)的數(shù)據(jù)顯示對(duì)太陽(yáng)能利用率能達(dá)到30%左右，太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤能達(dá)到較同步的控制。

參考文獻(xiàn)

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