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"利用 CompactRIO 控制器實(shí)現(xiàn)各訊號(hào)量測(cè)后，讓此系統(tǒng)增加可靠度和實(shí)用性，亦縮短研發(fā)成果移轉(zhuǎn)至市場(chǎng)所需要的時(shí)間。"
- Ru-Min Chao, Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University
挑戰(zhàn)：
太陽(yáng)能電池有其最佳工作點(diǎn)，于此點(diǎn)可獲得最大之輸出功 率，但最佳工作點(diǎn)往往隨著周圍環(huán)境而改變，如果將太陽(yáng)能電池之輸出電壓固定，則無(wú)法持續(xù)地產(chǎn)生最大輸出功率。故目前在太陽(yáng)光能電池之應(yīng)用技術(shù)中，最大功率點(diǎn)追蹤（Max Power Point Tracking, MPPT）可提升發(fā)電的整體效率。本研究的目的，在于建構(gòu)一套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)演算，確保瞬息萬(wàn)變的大氣環(huán)境下皆可達(dá)成最大之功率輸出。
解決方案：
本文設(shè)計(jì)一套太陽(yáng)能最大功率追蹤器；軟件方面，選擇以NI LabVIEW 8.2作為開(kāi)發(fā)接口撰寫算法，由cRIO之FPAG模塊采用DMA方式進(jìn)行訊號(hào)擷取，再由Real Time模塊執(zhí)行MPPT；硬件方面，從NI CompactRIO（cRIO）量測(cè)模塊量得太陽(yáng)能電池電流與電壓變化情形，接著由FPGA透過(guò)I/O模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)擷取，傳遞數(shù)據(jù)至Real Time模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算處理，最后自PWM模塊輸出最大功率點(diǎn)之Duty Cycle至降壓型電路，此時(shí)輸出電壓即為最大功率點(diǎn)下所產(chǎn)生之電壓，并可提供電池供電或馬達(dá)等負(fù)載；透過(guò)以上過(guò)程可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率追蹤。
作者：
Ru-Min Chao - Electromechanical Research Institute, National Cheng Kung University
摘要
本研究之目的在改善現(xiàn)有太陽(yáng)光電池之最大功率追縱控制設(shè)計(jì)，發(fā)展出功率量測(cè)型之最大功率追蹤系統(tǒng)。由于追蹤功率所使用的電壓轉(zhuǎn)換器需配合高頻PWM 切換訊號(hào)，故必須具備高速PWM訊號(hào)與擷取之能力，同時(shí)考慮系統(tǒng)的可移植性以便日后運(yùn)用于船舶做為動(dòng)力系統(tǒng)，以嵌入式的運(yùn)算系統(tǒng)為首要考慮。因此本研究使用國(guó)家儀器公司之Compact RIO模塊，此模塊運(yùn)用LabVIEW程序燒入FPGA芯片，使得開(kāi)發(fā)之運(yùn)算法得以達(dá)到穩(wěn)定、高效率的整合型系統(tǒng)；并與自行制作之降壓電路，以調(diào)整功率開(kāi) 關(guān)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)而控制輸出，以達(dá)到最大功率要求，由模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果可得知本文系統(tǒng)之可行性。
系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明
圖一為系統(tǒng)架構(gòu)說(shuō)明，由25W之太陽(yáng)能電池提供電能，經(jīng)降壓轉(zhuǎn)換器（converter）降壓后將轉(zhuǎn)換后得到的電能儲(chǔ)存至充電電池并提供給6V 10AH之鉛酸充電電池與作為負(fù)載的馬達(dá)，其中由PWM模塊, cRIO-9474提供的PWM切換訊號(hào)作為Converter之輸入端與輸出端之電壓調(diào)變，Solar cell之輸出功率則由電壓模塊, cRIO-9221量測(cè)、并透過(guò)FPGA模塊, cRIO-9101進(jìn)行數(shù)據(jù)擷取后，將擷取所得之功率提供Real Time Controller, cRIO-9002以便進(jìn)行MPPT之運(yùn)算并輸出PWM訊號(hào)。由于太陽(yáng)能電池特性線（Solar P-D curve）在某一工作周期（duty）具有最高的輸出功率（power），故將converter之PWM訊號(hào)操作于該duty點(diǎn)，將得最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的Duty cycle并將其輸出至Converter即可得到最大的太陽(yáng)能電池輸出功率，此追蹤最大功率的過(guò)程即為MPPT。
圖一、硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖
由于MPPT乃透過(guò)功率量測(cè)進(jìn)行Duty為了解Converter是否可確實(shí)運(yùn)作，故使用18V，1.7A之電源供應(yīng)器代替太陽(yáng)能電池之電源，充電 電池剩余電量為5.9V，PWM訊號(hào)之振幅為12V，頻率為20kHz，Duty = 50%，由示波器實(shí)際量測(cè)電壓電流波形，量測(cè)結(jié)果如圖二中所示，Ch1為電壓，大小為18.1V，Ch2為電流傳感器之量測(cè)結(jié)果，大小為5.87V，其換算單位為0.25A/V，故電流大約為1.47A；兩者訊號(hào)之變化頻率大約為20kHz。
而cRIO之訊號(hào)擷取傳遞方式可概分為中斷請(qǐng)求線路（Interrupt Request, IRQ）與直接內(nèi)存訪問(wèn)（Direct Memory Access, DMA），IRQ為本機(jī)端或?qū)崟r(shí)端（Real Time）每次進(jìn)行數(shù)據(jù)擷取時(shí)，中斷FPGA的擷取數(shù)據(jù)動(dòng)作并回傳該點(diǎn)擷取值至本機(jī)端或?qū)崟r(shí)端后，再繼續(xù)數(shù)據(jù)之?dāng)X取，適合較低頻率之訊號(hào)擷�。�1kHz以 下，本機(jī)端或?qū)崟r(shí)端的最快執(zhí)行速度）。圖四左圖為使用IRQ的數(shù)據(jù)擷取時(shí)間歷程，實(shí)驗(yàn)使用18V，1.7A的電源供應(yīng)器，對(duì)5.9V的電池進(jìn)行充電，Duty由0%以1%的間隔調(diào)整到100%，可發(fā)現(xiàn)由于擷取時(shí)取樣率不足20kHz使得擷取結(jié)果十分不理想。
DMA擷取之回傳方式中間并無(wú)中斷之發(fā)生，其數(shù)據(jù)擷取為FPGA透過(guò)事先設(shè)定的FIFO（First Input First Output）內(nèi)存大小，直接將所擷取到的數(shù)據(jù)以數(shù)組全部傳至FIFO之中，而本機(jī)端或?qū)崟r(shí)端則定時(shí)將所有數(shù)據(jù)自FIFO取出以便FPGA繼續(xù)將數(shù)據(jù)寫 入，如圖三所示，此方式適合高頻之?dāng)?shù)據(jù)擷�。�1kHz以上）。同樣使用18V，1.7A的電源供應(yīng)器，對(duì)5.9V的電池進(jìn)行充電，Duty由0%以1%的 間隔調(diào)整到100%所繪制出的時(shí)間歷程圖，如圖四右圖所示，可發(fā)現(xiàn)使用DMA所得的訊號(hào)擷取可得到較正確的結(jié)果。
圖二、太陽(yáng)能電池輸出端之電壓電流
圖三、DMA示意圖
圖四、IRQ結(jié)果（左圖）與DMA結(jié)果（右圖）
MPPT實(shí)驗(yàn)流程如圖五所示，分為MPPT運(yùn)算與紀(jì)錄的目標(biāo)端以及檢視記錄數(shù)據(jù)的本機(jī)端，為了檢視本系統(tǒng)經(jīng)MPPT所得到的Duty cycle是否確實(shí)為太陽(yáng)能照度特性在線最大功率點(diǎn)，故每次進(jìn)行最大功率追蹤前，先進(jìn)行特性線之繪制，再行MPPT之追蹤并比較兩者最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)之 Duty cycle與功率之差異即可了解MPPT之成效。充電實(shí)驗(yàn)則為了解MPPT之實(shí)際性能，流程圖如圖六所示，與圖五之流程相似，但去除Duty Scanning之步驟以及加上充電流程。
圖五、MPPT實(shí)驗(yàn)流程圖
圖六、充電實(shí)驗(yàn)流程圖
MPPT實(shí)驗(yàn)為25W之太陽(yáng)能電池對(duì)6V之充電電池進(jìn)行充電，并輔以6V DC馬達(dá)做為系統(tǒng)負(fù)載以確保系統(tǒng)保持于充電狀態(tài)；為確認(rèn)系統(tǒng)可針對(duì)不同照度下進(jìn)行MPPT，故測(cè)試的時(shí)間為13:51~15:49，如從圖七的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所 示，每次MPPT的時(shí)間間隔約為25分鐘，藉以看出太陽(yáng)照度之變化，各個(gè)時(shí)間所繪出之線段為當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)能特性線，MPP為各個(gè)特性線之最大功率點(diǎn)，MPPT為經(jīng)由追蹤所得到之最大功率點(diǎn)。將追蹤結(jié)果整理如表一的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表，由表中可知本系統(tǒng)可確實(shí)達(dá)成有效的最大功率追蹤。
充電實(shí)驗(yàn)為使用25W太陽(yáng)能電池、兩顆并聯(lián)的6V 10Ah的充電電池由近乎空電池狀態(tài)的3.3V開(kāi)始進(jìn)行充電，期間并使用6V DC的馬達(dá)作為負(fù)載，充電時(shí)間為3小時(shí)，每分鐘進(jìn)行一次MPPT，接著以充電流程檢視是否有過(guò)充之現(xiàn)象。3小時(shí)以后，去除太陽(yáng)能電池與MPPT后，再進(jìn)行 電池對(duì)馬達(dá)的放電實(shí)驗(yàn)。其結(jié)果如圖八所示，注意圖中的放電時(shí)間與充電時(shí)間近乎相同，由此可知，使用MPPT進(jìn)行充電后可有效提升系統(tǒng)之性能。
圖七、照度下降之MPPT PV圖
表一、實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表
圖八、充放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果
使用cRIO進(jìn)行開(kāi)發(fā)工作相較于其他硬件平臺(tái)更容易于短時(shí)間內(nèi)上手，但其開(kāi)發(fā)完成后系統(tǒng)的功能毫不遜色于其他產(chǎn)品，例如cRIO的FPGA模塊之 VHDL之編寫與刻錄方式及簡(jiǎn)化許多繁瑣的步驟，即可藉由內(nèi)部之40Mhz運(yùn)算頻率以提供MPPT運(yùn)算上所需要的20kHz PWM輸出訊號(hào)以及電壓電流之量測(cè)，并且亦可同步達(dá)成顯示與紀(jì)錄等功能以提供用戶參考，而cRIO的Real Time controller所提供的實(shí)時(shí)運(yùn)算，更進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)進(jìn)行MPPT運(yùn)算上的穩(wěn)定性，未來(lái)本系統(tǒng)的算法亦可應(yīng)用于其他太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)之功率追蹤。
NI的售后服務(wù)亦十分的完善，從機(jī)臺(tái)的維修到技術(shù)層面等問(wèn)題都可向NI之應(yīng)用工程師等人進(jìn)行相關(guān)之咨詢，每年舉辦的研討會(huì)以及免費(fèi)教學(xué)，更讓我們從中獲益良多。再次感謝NI以及工程師們，有你們的產(chǎn)品與協(xié)助，這套MPPT系統(tǒng)才能得以完成！
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