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

"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)