总第 48 卷 第 550 期 2011 年 第 10 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.48 No.550 Oct. 2011 基于Buck变换器的光伏电池最大功率跟踪器 吴透明，姚国兴，孙磊 （华南理工大学 电力学院，广东省绿色能源重点实验室，广州 510640） 摘要：文章论述了利用Buck电路对光伏电池进行最大功率点跟踪的原理，提出了一种基于单片机的以Buck电路 为核心的MPPT系统，并对以蓄电池为负载的系统进行了实验研究。实验结果表明该控制器达到了MPPT功能。 关键词: 太阳能；蓄电池；最大功率跟踪；PIC单片机 中图分类号: TM 61 文章编号：1001- 1390（2011）10- 0038- 04 文献标识码：B Maximum Power Point Tracker for Solar Cell Based on Buck Converter （Electric Power College, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China） WU Tou- ming, YAO Guo- xing , SUN Lei Abstract: This paper introduces the principles of photovoltaic maximum power point tracking with using Buck converter. A microcontroller- based MPPT system with buck converter is proposed.Experiment research is proceeded to the MPPT system with battery- load. Experiment results indicate that the controller has the MPPT function. Key words: solar energy, battery, MPPT, PIC microcontroller 0 引 言 光伏电池是太阳能发电的核心部分, 具有将太阳 能转换为电能的功效。光伏发电作为一种具有广阔前 景的绿色能源已成为国内外学术界和工业界研究的 热点，但是光伏发电存在两个主要问题 [1]：第一，光伏 电池的输出特性受外界环境影响大，当温度和光照辐 射强度变化时，其输出特性会发生较大的变化；第二， 光伏电池的转换效率低而且价格昂贵，初期投入较 大。因此，为了充分利用光伏电池所产生的能量，通常 在 光 伏 电 池 和 负 载之 间 串 联 最 大 功 率 点 跟 踪 （maximum power point tracking, MPPT）电路，从而实现 最大功率输出。 1 光伏电池的特性 光伏电池在一定光照强度和一定温度的情况下 输出特性曲线如图1所示。 当外部环境变化时，光伏电池输出发生变化，太 阳能光伏电池的V-I输出特性如下： 由光伏电池的V-I特性曲线可以看出，短路电流 主要受温 主要受太阳光照强度影响，而开路电压Voc Isc 度影响。在光照和温度一定的条件下，光伏电池的最 大功率点只有一处，其对应的电压和电流为最大功率 和最大功率电流Imp。因此，必须在光伏电池与 电压Vmp 图1 光伏电池的V-I特性曲线和V-P特性曲线 Fig.1 The V-I characteristic curve and the V-P curve of solar cell 38- - 

总第 48 卷 第 550 期 2011 年 第 10 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.48 No.550 Oct. 2011 图2 不同光照强度（左）条件下、不同温度（右）条件下的光伏组件V-I输出特性曲线 Fig.2 The V-I characteristic of solar cell under different irradiations（left）and temperatures（right） 负载之间增加MPPT电路，当外部环境或者负载变化 时，使光伏电池都工作在最大功率点附近，以提高光 伏电池的利用效率。 2 MPPT控制技术的实现 2.1 最大功率跟踪原理 光伏电池是一个非线性电源，其输出电压和电 流不仅受到光强和温度的影响（见图2），还决定于负 载的性质和状况。在光伏电池的伏安曲线中，光伏电 池的输出特性曲线与负载特性曲线的交点即为光伏 电池的工作点[2]。如果工作点处于最大功率点，光伏电 池所产生的电能被充分利用，反之它所产生的电能没 有被充分利用。 使用直流电源加可变电阻来模拟光伏电池的输 出特性曲线，实验电路如图3所示。图中虚线框中的为 模拟的光伏电池，它由一个直流电源Us 和一个可变电 阻R1 就是模拟光伏电池的输出电压。虚 线框外为功率变换电路，包括DC/DC变换器和负载R2。 DC/DC变换器为Buck电路，Buck电路拓扑如图4所示。 组成，电压U1 图3 光伏电池实验等效电路 Fig.3 Experimental equivalent circuit of solar cell 图4 Buck电路拓扑 Fig.4 Buck topology 图4中,U1 和Uo 是变换器的输入电压和输出电压;I1 是负载。对于理想的 是平均输入电流;D是占空比;R2 Buck电路有： Req= U1 I1 U1 I1 = Uo Io = 2 o U R2 Uo=DU1 由式（1）~（3）可得： Req= U1 I1 = R2 2 D （1） （2） （3） （4） 所以可以将Buck变换器和负载看作是一个等效 的可变电阻Req 有关。 如果用P表示模拟光伏电池的输出功率，对于整个实 验模型有： ，它的大小和占空比D和负载R2 P=U1 Us R1+Req U1=Req Us R1+Req 将式（5）代入式（6）消去Req 可以得到： P =- 2 1 U R1 + Us U1 R1 当U1=Us/2时，有最大功率输出： Pmax = 2 s U 4R1 （5） （6） （7） （8） 根据式（7）得出光伏电池的U-P曲线，如图5所 示，该曲线与光伏电池的U-P曲线特性相似，说明使 用本方法代替光伏电池进行实验是可行的，当U1 的电 压为电压源Us 率输出。所以在R2 时光伏电池获得最大功 不变的情况下通过改变D使Req=R1 的一半即Req=R1 39- - 

总第 48 卷 第 550 期 2011 年 第 10 期 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.48 No.550 Oct. 2011 图6 光伏电池最大功率跟踪器 Fig.6 Maximum power tracker of PV module Buck电路功率开关断开时光伏电池对储能电容充电， 使光伏电池始终处于发电状态，此时调节Buck电路占 空比才可以有效跟踪最大功率工作点。 本文中的单片机采用PIC16F873a单片机，控制器 的负载为铅酸蓄电池，单片机采样蓄电池的电压 （Buck的输出电压）和充电电流（Buck的输出电流），通 过电压扰动的算法计算后，单片机输出Buck的开关管 开关信号。 控制器的软件流程图如图7所示。 图5 模拟光伏电池功率电压曲线 Fig.5 为蓄电 Simulated solar cell U-P characteristic 可以实现光伏电池的最大功率跟踪。本文中R2 池的内阻，是一个随蓄电池的容量、蓄电池荷电状态 （SOC）、蓄电池的温度变化而变化的量。一般在蓄电 池荷电状态（SOC）大于40%时，R2 基本维持一个恒定 值，在SOC小于40%时，R2 的值会上升，其变化过程是 一个连续过程，所以通过改变D能够跟踪实现Req=R1。 2.2 控制方法 光伏电池的最大功率跟踪点控制方法很多[2]，如 开路电压法，短路电流法，电压扰动法，导纳增量法 等，这些方法各有优缺点。本文采用电压扰动法，该方 法控制简单，所检测的参数较少，因此普遍应用在光 伏MPPT控制器中。 电压扰动[3]通过将本次光伏电池的输出功率与上 次的比较，来确定是增加还是减少光伏电池的输出电 压。如果功率增加，则光伏电池电压维持原来的电压 扰动方向；如果功率降低，则光伏电池电压向相反方 向扰动。通过反复的扰动、观察和比较，使光伏电池输 出功率达到最大功率点处。 对于Buck电路，通过改变D来调节光伏电池的输 出电压。假设Buck电路的转换效率为α，则光伏电池 UoIoo α 。在一定条件下，α是常数，则通 输出功率P=U1I1= 过观察负载上功率的变化可以反映光伏电池输出功 率的变化。控制过程是这样的，给D一个扰动，观察负 载R2 上功率的变化，如果功率增加则对D维持原方向 的扰动，相反如果功率减少则对D反方向扰动，如此 反复进行下去。 2.3 控制器的实现 控制器的原理图如图6所示。 由于Buck电路的输入端[4]工作在断续状态下，若 不加入储能电容，则光伏电池工作在时断时续的状态 下，不能处于最佳工作状态。加入了储能电容C1 后， 40- - 图7 程序流程图 Fig.7 The flow chart of program 

总第 48 卷 第 550 期 2011 年 第 10 期 3 实验结果及分析 电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation Vol.48 No.550 Oct. 2011 做对比试验，在同样的外部环境条件下，一光伏 光伏电池参数：最大功率180W，短路电流4A，开 路电压45V。蓄电池参数：将两个12V，60Ah的铅酸蓄 电池串联。控制器单片机选用PIC16F873a，开关频率 选为20kHz。 电池对蓄电池组直冲，另一个光伏电池采用本文的最 大功率跟踪器对蓄电池组充电，记录对比数据见表1。 由表1知，接有MPPT装置后，光伏电池输出功率有了 明显提高。 表1 对比实验结果 Tab.1 The comparison results 有最大功率跟踪器充 电时蓄电池电压 /V 无最大功率跟踪器充 电时蓄电池电压 /V 输出功率提高百 分比 /（%） 9：00 10：00 11：00 12：00 13：00 14：00 15：00 17.02 14.92 10.39 9.30 9.93 14.19 15.94 4 结束语 本文介绍了利用Buck电路对光伏电池进行最大 功率点跟踪的原理，提出了一种基于单片机的，以 Buck电路为核心的MPPT系统，并对以蓄电池为负载 的系统进行了实验研究。通过对比实验结果表明，采 用该控制器使光伏电池实现了MPPT功能，提高了光 伏电池的发电效率。 参 考 文 献 [1] 薛林，姚国兴. 基于双向DC- DC变换器的光伏发电系统[J].电气传动, 2010,40(11). XUE Lin, YAO Guo- xing. Bidirectional DC- DC Convert Based Photovoltaic Power System[J]. Electric Drive , 2010,40(11). [2] 张玉平，石新春.一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现[J]. 电力 电子技术,2009,43(2). ZHANG Yu- ping,SHI Xin- chun. Implementation of a Novel MPPT Controller[J]. Power Electronics,2009,43(2). [3]张 超，何湘宁. 短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟 踪控制中的应用[J]. 中国电机工程学报, 2006,26(20). ZHANG Chao,HE Xiang- ning.Short- current Combined with Perturbation and Observation Maximum- power- point Tracking Method for Photovoltaic Power Systems[J].Proceedings of the CSEE, 2006,26(20). [4] 赵 宏，潘俊民. 基于Boost电路的光伏电池最大功率跟踪系统[J]. 电 力电子技术, 2004,38( 3). ZHAO Hong,PAN Jun- min.Photovoltaic Maximum Power Point Tracking System using Boost Converter[J]. Power Electronics, 2004,38(3). 作者简介： 吴透明（1986－），男，安徽安庆人，华南理工大学，硕士研 究生，主要研究方向为风光互补发电系统。 Email：zywtm@163.com 姚国兴（1952－），男，广东汕头人，副教授，华南理工大 学，硕士研究生导师，主要研究领域为计算机应用、计算 机控制系统，电力电子工程设计智能化测量仪器的设计。 孙磊（1985－），男，山东青岛人，华南理工大学，硕士研究 生，主要研究方向为电力系统及新能源发电。 收稿日期：2011- 07- 25 （田春雨 编发） 41- -