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利用 NI CompactRIO 制作 MPPT 太阳能发电系统之设计与研制

发布日期：2025/9/14来源：网络
    "利用 CompactRIO 控制器实现各讯号量测后，让此系统增加可靠度和实用性，亦缩短研发成果移转至市场所需要的时间。"     -  Ru-Min Chao, Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University     挑战：
    太阳能电池有其最佳工作点，于此点可获得最大之输出功 率，但最佳工作点往往随着周围环境而改变，如果将太阳能电池之输出电压固定，则无法持续地产生最大输出功率。故目前在太阳光能电池之应用技术中，最大功率点追踪（Max Power Point Tracking, MPPT）可提升发电的整体效率。本研究的目的，在于建构一套系统进行实时演算，确保瞬息万变的大气环境下皆可达成最大之功率输出。     解决方案：
    本文设计一套太阳能最大功率追踪器；软件方面，选择以NI LabVIEW 8.2作为开发接口撰写算法，由cRIO之FPAG模块采用DMA方式进行讯号撷取，再由Real Time模块执行MPPT；硬件方面，从NI CompactRIO（cRIO）量测模块量得太阳能电池电流与电压变化情形，接着由FPGA透过I/O模块进行数据撷取，传递数据至Real Time模块进行实时运算处理，最后自PWM模块输出最大功率点之Duty Cycle至降压型电路，此时输出电压即为最大功率点下所产生之电压，并可提供电池供电或马达等负载；透过以上过程可实现太阳能电池最大功率追踪。     作者：
    Ru-Min Chao - Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University     摘要     本研究之目的在改善现有太阳光电池之最大功率追纵控制设计，发展出功率量测型之最大功率追踪系统。由于追踪功率所使用的电压转换器需配合高频PWM 切换讯号，故必须具备高速PWM讯号与撷取之能力，同时考虑系统的可移植性以便日后运用于船舶做为动力系统，以嵌入式的运算系统为首要考虑。因此本研究使用国家仪器公司之Compact RIO模块，此模块运用LabVIEW程序烧入FPGA芯片，使得开发之运算法得以达到稳定、高效率的整合型系统；并与自行制作之降压电路，以调整功率开 关导通时间进而控制输出，以达到最大功率要求，由模拟与实测结果可得知本文系统之可行性。     系统架构说明     图一为系统架构说明，由25W之太阳能电池提供电能，经降压转换器（converter）降压后将转换后得到的电能储存至充电电池并提供给6V 10AH之铅酸充电电池与作为负载的马达，其中由PWM模块, cRIO-9474提供的PWM切换讯号作为Converter之输入端与输出端之电压调变，Solar cell之输出功率则由电压模块, cRIO-9221量测、并透过FPGA模块, cRIO-9101进行数据撷取后，将撷取所得之功率提供Real Time Controller, cRIO-9002以便进行MPPT之运算并输出PWM讯号。由于太阳能电池特性线（Solar P-D curve）在某一工作周期（duty）具有最高的输出功率（power），故将converter之PWM讯号操作于该duty点，将得最大功率点所对应的Duty cycle并将其输出至Converter即可得到最大的太阳能电池输出功率，此追踪最大功率的过程即为MPPT。 图一、硬件系统架构图     由于MPPT乃透过功率量测进行Duty为了解Converter是否可确实运作，故使用18V，1.7A之电源供应器代替太阳能电池之电源，充电 电池剩余电量为5.9V，PWM讯号之振幅为12V，频率为20kHz，Duty = 50%，由示波器实际量测电压电流波形，量测结果如图二中所示，Ch1为电压，大小为18.1V，Ch2为电流传感器之量测结果，大小为5.87V，其换算单位为0.25A/V，故电流大约为1.47A；两者讯号之变化频率大约为20kHz。     而cRIO之讯号撷取传递方式可概分为中断请求线路（Interrupt Request, IRQ）与直接内存访问（Direct Memory Access, DMA），IRQ为本机端或实时端（Real Time）每次进行数据撷取时，中断FPGA的撷取数据动作并回传该点撷取值至本机端或实时端后，再继续数据之撷取，适合较低频率之讯号撷取（1kHz以 下，本机端或实时端的最快执行速度）。图四左图为使用IRQ的数据撷取时间历程，实验使用18V，1.7A的电源供应器，对5.9V的电池进行充电，Duty由0%以1%的间隔调整到100%，可发现由于撷取时取样率不足20kHz使得撷取结果十分不理想。     DMA撷取之回传方式中间并无中断之发生，其数据撷取为FPGA透过事先设定的FIFO（First Input First Output）内存大小，直接将所撷取到的数据以数组全部传至FIFO之中，而本机端或实时端则定时将所有数据自FIFO取出以便FPGA继续将数据写 入，如图三所示，此方式适合高频之数据撷取（1kHz以上）。同样使用18V，1.7A的电源供应器，对5.9V的电池进行充电，Duty由0%以1%的 间隔调整到100%所绘制出的时间历程图，如图四右图所示，可发现使用DMA所得的讯号撷取可得到较正确的结果。 图二、太阳能电池输出端之电压电流 图三、DMA示意图 图四、IRQ结果（左图）与DMA结果（右图）     MPPT实验流程如图五所示，分为MPPT运算与纪录的目标端以及检视记录数据的本机端，为了检视本系统经MPPT所得到的Duty cycle是否确实为太阳能照度特性在线最大功率点，故每次进行最大功率追踪前，先进行特性线之绘制，再行MPPT之追踪并比较两者最大功率点所对应之 Duty cycle与功率之差异即可了解MPPT之成效。充电实验则为了解MPPT之实际性能，流程图如图六所示，与图五之流程相似，但去除Duty Scanning之步骤以及加上充电流程。 图五、MPPT实验流程图 图六、充电实验流程图     MPPT实验为25W之太阳能电池对6V之充电电池进行充电，并辅以6V DC马达做为系统负载以确保系统保持于充电状态；为确认系统可针对不同照度下进行MPPT，故测试的时间为13:51~15:49，如从图七的实验结果所 示，每次MPPT的时间间隔约为25分钟，藉以看出太阳照度之变化，各个时间所绘出之线段为当时的太阳能特性线，MPP为各个特性线之最大功率点，MPPT为经由追踪所得到之最大功率点。将追踪结果整理如表一的实验结果对照表，由表中可知本系统可确实达成有效的最大功率追踪。     充电实验为使用25W太阳能电池、两颗并联的6V 10Ah的充电电池由近乎空电池状态的3.3V开始进行充电，期间并使用6V DC的马达作为负载，充电时间为3小时，每分钟进行一次MPPT，接着以充电流程检视是否有过充之现象。3小时以后，去除太阳能电池与MPPT后，再进行 电池对马达的放电实验。其结果如图八所示，注意图中的放电时间与充电时间近乎相同，由此可知，使用MPPT进行充电后可有效提升系统之性能。   图七、照度下降之MPPT PV图 表一、实验结果对照表     图八、充放电实验结果     使用cRIO进行开发工作相较于其他硬件平台更容易于短时间内上手，但其开发完成后系统的功能毫不逊色于其他产品，例如cRIO的FPGA模块之 VHDL之编写与刻录方式及简化许多繁琐的步骤，即可藉由内部之40Mhz运算频率以提供MPPT运算上所需要的20kHz PWM输出讯号以及电压电流之量测，并且亦可同步达成显示与纪录等功能以提供用户参考，而cRIO的Real Time controller所提供的实时运算，更进一步加强系统进行MPPT运算上的稳定性，未来本系统的算法亦可应用于其他太阳能发电系统之功率追踪。     NI的售后服务亦十分的完善，从机台的维修到技术层面等问题都可向NI之应用工程师等人进行相关之咨询，每年举办的研讨会以及免费教学，更让我们从中获益良多。再次感谢NI以及工程师们，有你们的产品与协助，这套MPPT系统才能得以完成！  

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