太阳能、风力发电高效充电管理系统
张强胜
摘要：峰值功率跟踪器(MPPT)的功能是提高太阳能电池、风力发电机的输出功率，使太阳能、风力发电系统工作在最大输出功率点，并对蓄能装置进行了充电管理。本文介绍了用于民用风力发电系统、太阳能发电系统进行充电管理的MPPT 的基本组成和控制原理。该MPPT 采用Buck DC／DC 转换器，将microchip 公司的PIC16f716微处理器作为MPPT 的中央控制单元(ECU)，应用逐次逼近法对发电系统的最大功率点实现跟踪。
关键词：太阳能电池 风力发电机 MPPT 充电管理
1、概述
近几年, 我国小型风力发电系统发展很快, 尤其是2 kW以下的机型, 从设计制造、制造成本到运行维护都取得了许多成功的经验, 目前风力发电机在内蒙一带多风的地区，因其价格比较低廉而成为自发电的首选设备，而在新疆、西藏、宁夏等多光照的地方，多采用太阳能发电系统，有条件的单位则选择了风光互补系统，解决了一大批无电少电的农、牧、民的基本生活用电问题。
现有系统一般采用发电机输出直接对蓄电池进行充电, 并没有对风力机转换环节进行控制, 使得风能利用系数比较低, 一般在0.3 左右. 根据贝茨理论, 风能利用系数的极限值为0.593[1 ] ,如果控制风力机总是以最佳叶尖速比运行, 年发电量可以提高20 %～ 30 %[2 ] 。同样，直接把太阳能电池阵列与蓄电池并联工作时，由于阵列的输出状态受到电池、电机工作状态的限制，输出功率往往不在阵列的最大功率点，严重影响了发电效率。
MPPT(Maximum Power Point Tracker) 即峰值功率跟踪器，是太阳能电池发电系统、风力发电系统中的重要部件。MPPT 的作用是使太阳能电池阵列工作在最大输出功率点。它是高效率的DC ／DC 变换器，相当于太阳能电池输出端的阻抗变换器。MPPT 是太阳能车、太阳能发电系统、太阳能水泵上常用的功率提升部件。MPPT 能使太阳能电池阵列的输出功率增加约15％～36％[2]。众所周知，在确定的外部条件下，随着负载的变化，太阳能电池阵列、风力发电机输出的功率也会变化，但是存在一个最大功率点Pm 以及与最大功率点相对应的电压UMp 和电流IMD 。当工作环境变化时，特别是日光照度和环境温度变化时，太阳能电池阵列的输出特性曲线也随之变化，与之相对应的最大功率点也随之改变，如图2所示。通常来讲，太阳能电池输出特性曲线的变化与日光照度的变化是成比例的[1]。但在实际应用中，日光照度的变化再加上工作温度的变化，使得太阳能电池输出特性的变化很复杂。同样，当风速发生变化时，风力发电机的转速也发生了变化，风力发电机的最大功率点也随之改变。上述理论，通俗易懂的可解释为：发电系统等效为一个有内阻的电压源，内阻受外部因素（如温度、
太阳照度、风速等）及内部因素影响而一直变化着，而负载端则为受电源供电电压和外接用户负载影响的可变负载。简单原理图如下：
。因此，如何使太阳能、风力发电系统保持在最大功率点，如何合理的对蓄能设备进行充电管理，是本文研究的目的。在发电系统和蓄能装置之间增加控制器后的系统图如下：
本文所述MPPT 是通用性的功率控制器，主要针对于1000W 以下的太阳能发电系统、风力发电机系统。在提高发电效率的同时，可以实现充电限流、停止充电、卸荷、输出稳压等功能。MPPT 根据智能的控制策略判断最大功率点的位置，
自动调整发电系统的输出电流，来跟踪最大功率点电压，由此实现MPPT 的功能。因此，MPPT 不仅是一个高效率的DC ／DC 转换器，更是一个智能的控制系统。
2、 MPPT的硬件设计
MPPT 的硬件结构如图3所示。
MPPT 的电压转换器采用Buck DC／DC 转换器，以场效应管作为电子开关器件；采用PWM 控制方式，工作频率为20kHz 。在场效应管开关的一个周期内，电感的电流是连续的，则Buck DC ／DC 转换器的降压比等于PWM 控制信号的占空比。所以MPPT 的控制策略是通过调整PWM 的占空比D 来调整Buck DC／DC 转换器的降压比，以达到调整发电设备工作电压为最大功率点(MPP)电压的目的。
电路原理分析：
U2为PIC16C716，自带PWM 功能，在20M 的主频下，可以产生20KHZ 的调制脉冲，并具有A/D功能；U1为IR2110，是国际整流公司的半桥驱动器件，用来悬浮驱动MOS 管；U3为双运算放大器。
MPPT 采用三个单相桥B1、B2、B3来对发电设备的输出交流电进行整流（如不考虑成本，可以选用三相整流桥），经C5滤波变成直流电压，当系统检测正常后，主回路RL1继电器吸合，单片机的9脚产生的PWM 脉冲驱动由Q4、D4、L1、C6、C7组成的Buck DC/DC转换器，进行降压处理。
MPPT 在检测到电池充电完成后，由U2的8脚输出一个高电平，来驱动Q3，让设备处于卸荷状态，防止“飞车”等情况出现。
当发电设备的输出电压太高或电瓶严重亏电时，可能会出现大电流充电现象。如使用MPPT 后，电池充电电流经R7取样、R13、R14、R15和LM358组成的信号放大器放大后，送至U2的18脚，经A/D转换后，经过逻辑处理可以调小PWM 的脉冲宽度，从而达到限流的目的。
为了防止用户在未关闭MPPT 情况下，强行拆发电设备的输入线，在Q4全导通情况下再强行接入发电设备的输出线，引起烧毁Q4情况的发生，设计了由R17、R18、R19、R20、LM358组成的比较器电路，如上述情况发生，则强制关闭主回路，从而保护了Q4。
D1、D2、R1、C1组成电源供电回路，经Q1稳压后变成直流12V 电源，供给继电器和U1使用；Q2对12V 电源进行降压，变成5V 电源，供给U2、U3使用。
3、软件工作原理
MPPT 微处理器的工作步骤是：首先采集MPPT 主回路的电压及电流信号，然后根据最大功率点跟踪策略判断最大功率点的位置，确定PWM 信号占空比D 的值，最后输出PWM 信号给驱动电路。
MPPT 的软件采用模块化结构，包括初始化、采样、穷举法跟踪、成功失败法跟踪、PWM 输出、等模块。系统程序流程图如图4所示。
4、MPPT 最大功率点
跟踪策略
因自发电系统随着
外界环境的变化，如温度、
太阳照度、风速等，发电
的最大功率点也一直在变
化着，因此控制系统需要
一个快速地跟踪、反应算
法。本文中的MPPT 跟踪策
略为：首先，在系统启动
或重起时，将占空比设定
为D=1，采用逐次逼近法尽快找到最大功率点附近
的临近点，逐次逼近法的原理为：以一个固定步长，在固定时间内递减D ，若第K+1次调整后的发电系统输出的功率比第K 次小，则第K 次的Dk 值为最大功率点附近的临近点，然后采用遗传法则来快速地稳定到最大功率点。遗传法则的基本思想是：每一次调整都根据功率变化率来改变D 及△D ，若第k 次调整中沿某变化趋势调整成功，系统输出功率增大，那么第k+1次则仍沿此方向调整，并根据功率变化率来调整D 及△D ；若第k 次调整失败，则第k+1次应沿反方向调整。
5、结论
本系统的样机经现场测试后，在未达到限流点时可以提高发电效率达20%，并能实现对输出短路、输出开路、输入短路、输入过压、输出过压等各种非常状态的保护，完全达到了设计要求。目前，欧美发达国家对风能、太阳能发电系统要求必须配备MPPT 系统。
参考文献:
[1 ] 勒古里雷斯D. 风力机的理论与设计[M] . 施鹏飞, 译. 北京:机械工业出版社,1985.
[2 ] Mukund R P. Wind and solar power system[M] . Boca Raton : CRC Press , 1999.
[3 ] 许洪华, 倪受元. 独立运行风电机组的最佳叶尖速比控制[J ] . 太阳能学报, 1998 ,1(19) :30～35.