采用Compact RIO模块实现太阳能最大功率追踪系统的设计
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，即可借由内部之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。
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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。
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