太阳能赛车峰值功率跟踪器的设计

太阳能电池阵列的工作条件是不断变化着的，因而太阳能电池阵列的输出特性方程在太阳能车的应用中成为一个存在极大值的约束不确定方程。因此MPPT的最优化问题采用直接搜索法求取。javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

MPPT的跟踪策略为：首先，在启动或重启的时候采用穷举方法进行全局寻优，找到当前最大功率点；然后，在以后的工作过程中采用成功失败法动态跟踪最大功率点。穷举方法，即在D=[0，1]范围内以一定步长搜索获得最大功率的Dmax，则可认为与最大功率点相对应的最优占空比D在Dmax附近。Dmax将作为成功失败法的起点。穷举法的目的是在全局范围内迅速找到最大功率点，穷举法应用于太阳能车启动和系统重启这两个系统对最大功率点完全未知的情况。其中包括太阳能车进入阴影、电池阵列被遮挡等光照情况发生较大变化以及司机人为重新启动系统等情况。

成功失败法的基本思想是每一次搜索都改变步长，若第k次搜索中沿某一方向搜索成功，则阵列输出功率增大，那么第k+1次则仍沿这一方向搜索，并可扩大步长；若第k次搜索失败，则第k+1次应沿反方向搜索，并缩小步长[4]。在穷举法找到全局最优的基础上，成功失败法的步长将可以设为较小值，有利于尽快找到最大功率点。

3 MPPT的试验研究

为验证MPPT的工作效果，采用LabVIEW软件并结合PC-1216-K3信号采集板搭建的测量系统，检测“追日号”太阳能车发电系统在加入MPPT之前与加入MPPT之后系统各环节的电压、电流值，并计算出相应的功率。通过这些数据曲线便可以看出MPPT对太阳能发电系统性能的改善。

“追日号”太阳能车发电系统在没有MPPT情况下的输出电压、功率曲线如图5所示。

可以看到，阵列的平均输出功率约为125W，工作电压约为117V。在加入了MPPT之后，太阳能电池阵列的发电输出功率有了明显的提高，其输出曲线如图6所示。
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    由图6可以看出， 太阳能电池的输出功率约为170W，有了明显的提高。单从太阳能电池阵列的角度来看，其发电功率提高了约40W，增幅约为36％。但是从太阳能电池发电系统的构成来看，在系统中增加了MPPT，其本身也要消耗一部分功率。经过MPPT后的输出功率才是真正有效的功率，其输出曲线如图7所示。

图6、图7中前76个数据点是穷举法全局寻优的过程，在找出全局最大功率点后，采用成功失败法跟踪最大功率点。可见，最大功率点的跟踪过程是动态的。平均来看，穷举法与成功失败法得到的最大功率点有一微小差距，但是总体来看，成功失败法获得的最优值始终接近最大功率点。虽然穷举法在最初的寻优过程不在最大功率点附近，但是整个穷举法寻优过程只有3．8s，而且很快达到最大功率点附近，因此穷举法的最初寻优过程对阵列输出功率造成的损失是有限的。总体来看，太阳能电池阵列通过MPPT的平均输出功率约为145W，阵列工作电压维持在132V左右。值得注意的是，MPPT在工作过程中的转换效率没有达到理想的99％，其原因有：在MPPT的工作过程中，成功失败法一直处于寻优过程，MPPT也一直处于动态的调整过程中；在成功失败法寻优过程中，有时会调整MPPT进入转换效率相对较低的工作区域。这也说明控制策略是MPFF的重要组成部分，控制策略能够影响MPPT的工作效果。要想进一步提高MPPT系统的转换效率，需要对整个寻优算法及控制过程进行优化。
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    由图5可以看出，没有MPPT的太阳能电池发电系统的平均输出功率约为125W，这个功率明显低于MPFF的输出功率：145W(最大功率点)。这与蓄电池电压只有117V左右有关系，因为蓄电池电压过低，使太阳能电池阵列工作电压远离最大功率点电压。

对比两个试验，MPPT使太阳能发电系统的输出功率增加了20W，增幅为16％，MPPT实现了跟踪最大功率的功能。MPPT的应用效果是比较显著的，这也说明了MPPT在太阳能电池发电系统中起着重要作用。当然作者所做的工作与国外的先进水平相比还有一定差距，还有许多地方需要改进与优化。
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    通过在太阳能电动赛车上使用MPPT，并尝试不同的控制算法，使得太阳能电池发电系统的输出功率提高了约16％，太附能赛车的行驶性能得到了改善。太阳能电池MPPT的应用不仅局限于太阳能赛车，还可以更广泛地应用于其它太阳能发电系统，有效地提高太阳能发电系统的输出功率。当然，MPPT在太阳能发电系统中所起作用的大小不仅与控制算法有关，还与主回路的工作效率有很大的关系，如果主回路的变换效率不高，再好的控制算法也不能有效地提高太阳能发电系统的输出功率。

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