基于DSP28335的光伏电池MPPT控制系统的研究

2013-01-15彭文丽席自强张志文

湖北工业大学学报 2013年2期

彭文丽，席自强，钟磊，张志文

（湖北工业大学电气与电子学院，湖北武汉430068）

光伏发电没有机械部分，不会消耗能源，不会造成任何有害或导致温室效应的气体，发电不受地域限制，太阳能电池阵列结构简单［1］.但是在实际应用中存在很多问题，其中之一就是：太阳能电池的转换效率太低.有效解决这个问题需要实时调节光伏电池的工作点电压，进行最大功率点跟踪（MPPT），使工作点始终在最大功率点附近.最大功率点跟踪的控制问题，由于有能够处理数字信号并且高速度的芯片（DSP），这个问题得到解决.本文采用TI公司的DSP28335作为MPPT的控制器的控制芯片，并且实时采样光伏电池输出的电压和电流，再经过软件处理，最终达到最大功率点跟踪的目的.

1 光伏电池的特性

光伏电池的等效模型是单二极管形式，其工作原理可以看成是一个恒电流源与一只正向二极管的并联回路.

图1 光伏电池的等效电路图

图1 中，Iph是光子在光伏电池内部的光生电流，而且其跟外界条件有关，跟光照强度成正比，同时跟电池的温度成正比；IVD（二极管电流）为通过PN结的总扩散电流，其方向与Iph相反.图2为光伏电池在不同温度下的输出特性曲线，图3为光伏电池在不同光照强度下的输出特性曲线.在任意的外界条件下，光伏电池都具有特定的最大功率点，在现实操作中，为了保证系统工作点能够实时在最大功率点附近，需要一个MPPT的控制器来保证.

2 最大功率跟踪原理

DC／DC变换器是用在光伏电池跟逆变器之间，通过调节开关管的占空比来将输入的直流转变为另一等级的直流电压的电路.在光伏发电系统中，一般选用升压电路，本系统选用的是Boost升压电路［2］.图4为Boost电路图.

图4 光伏发电系统Boost变换器电路图

Boost电路由开关管Mosfet、续流二极管D、电感L、电容C和负载R组成.电路的基本原理：在Mosfet导通时，导通时间为ton，此时流过电感L上的电流增加，二极管D反偏截止；在 Mosfet关断时，关断时间为toff，二极管D导通，这时由电感L和光伏电池输出的电量共同给负载供电，同时还要给电容C充电.基于电感在一个周期内的能量守恒定律，可得到以下关系：V ＝toffU／（ton＋toff）＝toffU／T，其中V为Boost电路的输入电压；U为输出电压.通过软件改变其输出的PWM波的占空比来控制Boost电路，从而实现MPPT.

3 MPPT算法及其实现

本文研究的MPPT控制器的控制芯片采用的是TMS320F28335DSP，该芯片具有3个32位CPU定时器，有12路16位的ePWM，有两个增强型CAN总线控制器，即采用29为标示符，单精度浮点运算（FPU），采样哈佛流水线结构，能够快速执行中断响应.DSP通过接受采样得到光伏电池输出的电压跟电流值，再通过软件去改变其输出的PWM波的占空比来控制Boost电路，从而实现MPPT.由图4可知，其实现过程是通过采样电路得到光伏电池的输出电压跟电流值，然后将信号传输到DSP中，通过算法跟策略来输出PWM信号对开关管Mosfet进行控制，从而达到实现最大功率点跟踪.本系统MPPT算法使用的是电导增量法.

电导增量法是根据光伏电池的输出功率跟随输出电压变化率而波动的规律出发，进而推导出系统工作点位于最大功率点时，电导与电导变换率之间的变化.电导增量法也是比较常用的MPPT的算法之一，这个方法控制精确，响应很迅速，与扰动观测法不同，它可适用于光照强度不断变换的地方.由于传感器对于精度要求很高，成本将大幅度增加.

从光伏电池的特性曲线知道，最大功率点的输出功率PPV与其对应的电压UPV满足以下条件：

由此可得到

其中，G为输出特性曲线的电导：dG为电导G的增量.

由上式可推导得到系统工作点和最大功率点之间的判据如下：

1）G＋dG，则UPV＜UMPP，需要适当地增加参考电压值来达到大功率点.

2）G＋dG，则UPV＞UMPP，需要适当地减小参考电压值来达到最大功率点.

3）G＋dG，则UPV＝UMPP，此时正好是工作在最大功率点上.

4 硬件控制电路的设计

本系统的光伏模块的主要参数如下：输入电压为30V，电流为4.5A；输出电流为96V，电流为2.07A.

4.1 采样电压电路

本系统是通过LV28－P采样得到电压值，输出的模拟信号进入DSP28335.电源电压为3.3V，而且DSP的输入电压也为3.3V.如图5所示为电压的采样电路.其中，采样电阻是R1和R2，电压传感器是LV28－P，电压范围是10－500V.根据公式（5）可以得到R1大于等于30K.

由于采样的电压值需要接到DSP上，所以R2的电压范围是0－3.3V，根据公式（6）、（7）可以得到R2≤130Ω.本系统，R2取值为75Ω.

图5 电压采样电路图

4.2 电流采样电路

电流采样电路见图6.

图6 电流采样电路图

原理跟电压采样电路基本相同，电流传感器采样的型号为LA55－P，电流测量额定值为50A.

4.3 驱动电路

Mosfet开关管采用的是IRFP250N，输入电容为C1，这个开关管比一般的要大，所以需要驱动电路有较强的驱动能力.驱动芯片选择的是HCPL－316J，它的基本特性是：可以兼容CMOS和TYL电平；开关时间为500ns.其中 G＿drive为TMS320F28335产生的PWM信号，经过 HCPL－316J后，接到Mosfet的栅极G上（图7）.

5 系统软件设计

MPPT的控制流程如图8所示，系统是先给控制电路上电后再给主电路上电.

图7 Mosfet的驱动电路图

图8 系统的控制流程图

在系统上电后，DSP会发出关闭的信号，封锁驱动脉冲；接着就开始检测光伏电池的输出电压，在此过程需要注意的是，在光伏电池处于充放电时，检测得到的结果是不准确的，需要连续检测电压两次；在确定电压值满足条件后，就要确定光伏电池的初始工作点，在开路电压的80%左右，并且开启主电路，在一段时间后，系统将会稳定在假设的工作点，然后给她一个步长，让工作点降低，随后就可以用电导增量法来达到目的［3］.