论文摘要：太阳能电池板所发电能有最大功率输出特性，根据这一特性通过计算法可实现最大功率的输出，这就是太阳能最大功率点的跟踪。本文介绍了最大功率点跟踪的基本方法，在分析了各自优缺点后，选择了扰动观察法，提出改进的扰动观测法算法。结果表明研究的控制系统运行稳定，避免了快速振荡现象的出现。

关键词：跟踪算法；控制系统；太阳能；逆变器
　　中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1006-4311（2013）16-0049-02

0引言
　　目前世界能源消费结构仍以煤炭、石油、天然气等化石能源为主，这些能源都是不可再生的一次能源。由于对能源需求持续、迅速的增加，一次能源的短缺，迫切需要发展可再生能源。风能、太阳能、水能、生物质能、地热能和海洋能等都是可再生能源，其中太阳能以其独有的优势受到重视。从能源供应来看，太阳能是可持续利用绿色能源。太阳能必将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能利用的主要方式就是利用太阳能发电。目前太阳能光伏发电系统的主要问题之一是电池的转换效率低，如何提高太阳能电池板的发电效率是一个需要研究的重要课题。太阳能电池板的发电效率一般在15%～17%，太阳能电池板所发电能有最大功率输出特性，可以根据这一特性通过算法实现最大功率的输出，这就是太阳能最大功率点的跟踪问题，对合理利用太阳能，提高发电效率很有意义。

1太阳能最大功率点跟踪控制系统
　　1.1系统方案比较与选择跟踪系统可采用恒定电压跟踪法或扰动观察法。恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它使用曲线拟合方法。工作原理是：当忽略光伏电池的温度效应时，光伏电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压恒定的一根垂直线，亦即只要保持光伏电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该一温度下光伏电池输出最大功率。扰动观察法就是要引入一个小的变化，进行观察，与前一个状态进行比较，根据比较结果调节光伏电池的工作点。通过改变光伏电池的输出电压，实时采样光伏电池的输出电压和电流，计算出功率，然后与上一次计算的功率点进行比较，如果小于上一次的值，则说明本次控制使功率输出降低了，应控制使光伏电池输出电压按相反的方向变化，如果大于则维持原来增大或减小的方向，这样就保证了使太阳能输出向增大的方向变化，如此反复的扰动、观察与比较，使光伏电池板达到其最大功率点。
　　恒定电压跟踪法控制简单，易实现，系统不会出现因给定的控制电压剧烈变化而引起振荡，具有良好的稳定性。缺点控制精度差，系统最大功率跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性。控制的适应性差，当系统外界环境，如太阳辐射强度，太阳能电池板温度发生改变时系统难以进行准确的最大功率点跟踪。当太阳辐射强度相同而温度不同时，太阳能光伏电池的最大功率点并不是在某一固定的电压下，因此跟踪最大功率点失效。扰动观察法控制思路简单，实现较为方便；可实现最大功率点的动态跟踪。但跟踪到最大功率点时，会在最大功率点附近振荡运行，造成一定的功率损失。因此系统选用扰动观察法。
　　1.2系统介绍图1为系统框图。将太阳能电池板的输出电压、输出电流以及BOOST电路输出电压信号经检测后送到控制器，经控制器运算处理得到开关管占空比，用以控制BOOST电路，从而调节光伏电池输出功率，这个过程反复进行直到系统工作在最大功率点。
　　图2为系统总体原理图。太阳能电池板的输出电压、输出电流以及BOOST电路输出电压，作为最大功率点算法（MPPT）的输入参数，送入A/D转换器，经过采样后得到当前系统参数，通过最大功率点算法与寻找最大功率点并计算调节输出PWM波占空比，控制BOOST电路开关管，调整太阳能电池的输出功率，使其一直向着最大功率点方向调整，实现系统最大功率点跟踪。在本文所设计的太阳能最大功率跟踪系统中，硬件电路分为六个模块，控制模块、PWM产生模块、A/D转换模块、BOOST电路模块、采样、调理电路模块、驱动电路模块。其中控制模块主要是进行对A/D转换模块的数据进行运算，寻找最大功率点，控制PWM模块输出占空比。其中控制模块、PWM产生模块、A/D转换模块由TI公司的TMS320F2812DSP完成。

2控制系统软件设计
　　控制系统主要功能是采集BOOST电路输入电压、电流和输出电压，根据MPPT算法调节PWM波占空比，以实现调节电路电压及电流。软件总体分为四个部分：主程序模块，CPU定时器中断子程序，A/D采样程序，MPPT运算程序。各部分的结构和功能概述如下：主程序模块主要完成系统的初始化，相关寄存器设置，然后循环调用其他程序模块，完成系统的功能。程序在初始化时打开CPU定时器中断，通过产生中断达到定时对电压、电流采样的目的，电压和电流的检测通过A/D采样程序完成，并在A/D采样程序中对n个采样值进行了平均求值，提高采样的准确性。MPPT运算程序就是对前面所述最大功率点跟踪算法的计算机程序化。通过该程序模块可以计算出对应于最大功率的输出占空比，给出相应的PWM波形控制BOOST电路。

3改进的最大功率跟踪算法
　　根据并网逆变器逆变直流侧电压的要求，首先配置太阳能光伏电池为最大输出功率点电压附近（标准检验条件下）。使系统能快速的满足逆变并网的要求，在这以后用扰动观测法能快速找到最大功率点输出。为了避免此方法在最大功率输出点附近易振荡运行的缺点，提出改进的扰动观测法。该方法在光伏电池P-U特性曲线峰值点附近从左到右依次取A，B，C三个点，UA和PA，UB和PB，UC和PC分别对应各点工作电压和功率。设UB为初始最大功率点Umax，△U是一个预先设定用于电压步长调整的常量。在判断三点电压值的调整方向时可能出现图3、4、5和6所示的情形。当PA
　　PC时，B点离最大功率点最近；当PA≥PB且PB>PC时，A点方向为最大功率点方向；当PA>PB且PB
　　具体步骤如下：首先采用较大步长扰动观测方法初步找到最大功率点。为了使控制更精确，在初步找到最大功率点后，采用小步长的扰动观测方法，找到最大功率点，以达到精确控制目的。一般来说短时间内如果天气不发生突变的情况下，最大功率点变化很小，因此使系统工作在此最大功率点，20分钟后，继续采用小步长的扰动观察法寻找最大功率点，这样就能快速实现最大功率点的寻找。

4最大功率算法程序设计
　　最大功率算法流程如图7所示，首先确定Boost电路输出电压是否在限定范围内，如果不在有效范围内，令DIR=0，说明这是一种特殊情况暂时不用调节，如果在有效范围内则进行调节，当系统初次调节时，此时CONT=0、Flag=0，调用Adcfirst（）函数采取大步长的方法采样，每隔30秒对系统采样一次，并且计数值CONT加一，三次采样完成后经计算依次得到上面介绍的B、C、A三个点功率，比较得出扰动方向，再调用PWM（）函数采用大步长扰动调节，每次扰动调节时间间隔为30秒，当初步找到最大功率点时令Flag=1，此时说明以后的调节采用小步长扰动调节。调用Adcsecond（）函数采取小步长的方法采样，每隔30秒对系统采样一次，并且计数值CONT加一，三次采样完成后经计算依次得到B、C、A三个点功率，比较得出扰动方向，再调用PWM2函数采用小步长扰动调节，每次扰动调节时间间隔为30秒，当找到最大功率点时令DIR=0，说明最大功率点已经找到。此时定时20分钟，让系统在此最大功率点工作。定时完成后，此时Flag值为1，即以后采用小步长扰动调节。

5系统的调试及结论
　　对控制系统总体进行了调试，结果表明采用改进扰动观测法的控制系统实现了良好的控制功能，避免了快速振荡现象的出现。本文提出的控制原理，可在一定程度上提高光伏系统的转换效率，控制方法未增加系统的复杂性。

参考文献：
　　[1]清华大学电子教研组编，阎石主编.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，1998.
　　[2]张永瑞等编.电子测量技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2004.
　　[3]孙肖子、张企民编.模拟电子技术基础.西安：西安电子科技大学出版社，2001.
　　[4]张毅刚等.新编MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.
　　[5]万山明等.TMS320F281XDSP原理及应用实例.北京：北京航空航天大学出版社，2007.