基于DSP的光伏最大功率跟踪技术的研究

2013-12-30靳海亮付周兴

电子器件 2013年1期

靳海亮，付周兴

(西安科技大学电气与控制工程学院，西安710054)

众所周知，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的新能源，其具有分布广泛、丰富、无污染等优点，近年来逐渐受到世界各国的重视。目前，对太阳能最重要的使用就是用来发电。太阳能光伏发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性和免维护性等其它常规能源所不具备的优点。但是，光伏电池的输出功率受负载大小、环境温度、辐射强度等因素的影响使得光伏利用存在着转换效率低的缺点。因此，为提高太阳能的利用率，最大功率点(MPP)的跟踪一直是一个关键的问题。要解决这一问题可在光伏电池与负载之间加入最大功率装置，通过调节该装置使得光伏电池快速地工作于最大功率点。

图1 太阳能电池随光照强度变化的输出特性曲线

1 光伏电池特性及其模拟实验电路

1.1 光伏电池特性

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。而光伏电池正是以太阳能的光生伏打效应为基础来制成的将光能直接转换成电能的一种半导体器件。实际中，太阳能电池是一种非线性电源，在给定的外部环境下，随着输出电流的变化，太阳能电池的输出功率和端口电压都会出现非线性变化。太阳能电池的输出特性曲线如图1图2所示［1-3］。由图1、图2可以看出光照强度对输出电流的影响较大，且输出电流随光照强度的增大而增大;而温度主要影响光伏电池的输出电压，温度降低，输出电压增大。同时光照强度或温度变化都会使得输出功率随之变化。在实际系统中，由于温度变化是一个渐变的过程，所以通常会着重考虑光照强度对系统的影响。

图2 太阳能电池随温度变化的输出特性曲线

1.2 模拟实验电路

在实验室环境下，直接使用太阳能电池进行实验存在着时间长、费用高等缺点。为了方便、可靠地对太阳能电池进行MPPT实验，可使用直流电源加可变电阻来模拟光伏电池的输出特性曲线［4］。对于光伏电池来说，当外界环境发生变化后，其输出特性表现为输出电压与电流的变化，实则是光伏电池的内阻发生变化，因此本实验选择改变可变电阻的阻值来模拟外界条件的变化的情况。实验电路如图3所示，其中模拟的光伏电池由直流电源Us和可变电阻R1组成，RL为负载，DC/DC变换采用Boost电路，其拓扑结构如图4。

图3 实验电路框图

图4 Boost电路结构图

图4中Boost电路由电感L、二极管D、电容Co和功率开关管Q(本实验采用MOSFET)组成。为了提高效率一般都期望Boost电路工作在电流连续状态下，在电流连续工作模式下，Boost电路电压输入输出的关系为:

其中D为功率开关Q的占空比，由上式可见通过改变占空比D可以改变输出电压Uo。根据能量的守恒关系，可以推导出式(2)

由式(2)可以看出，Boost电路可以通过调节开关管的占空比，将一种等效阻抗变换成另一种等效阻抗，使得与模拟光伏电池阻抗相匹配，实现最大功率跟踪。

2 MPPT原理与算法选择

2.1 MPPT原理

最大功率跟踪MPPT(Maximum Power Poin Tracking)是太阳能发电的一项重要技术，它是指为充分利用太阳能，通过控制改变光伏电池阵列的输出电压或电流，以使得光伏阵列始终工作在最大功率点上［5］。光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用条件如光照强度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在唯一的最大功率点上［6］。

图5中的曲线是在一定光照强度下的光伏I-V输出特性曲线，其中直线1和直线2为两条负载曲线。直线1和特性曲线的交点a即为光伏电池的工作点。如果不改变负载特性，则系统工作在a点，但a点的输出功率P=V1I1小于MPP处的功率PMpp=VmIm。如果改变负载阻抗，则可以使负载曲线1移动到负载曲线2处，这样负载曲线与光伏电池输出特性曲线的交点就从a点移到MPP处，使光伏电池工作在最大功率点处。当光强变化时，光伏电池的输出特性也会变化，则可以相应地调整负载阻抗，使它仍能工作在最大功率点上。在不同的环境条件下，按输出最大功率的要求来进行调整负载阻抗，则能使太阳能得到最大利用，即实现最大功率点跟踪的控制［7］。

图5 最大功率跟踪原理

2.2 MPPT算法选择

图6 模拟实验基本框图

常用的MPPT控制方法主要有恒定电压法、扰动观测法、电导增量法等。根据最大功率点判据的不同每种方法的原理也略有差别［8］。鉴于传统定步长的扰动观测法和定步长的电导增量法在进行最大功率跟踪时不可避免的存在振动和误判现象，本文提出了一种改进的扰动观测法。该算法将恒定电压法和扰动观测法相结合，在初始时刻，选取U=0.8Uoc，从而使工作点尽快的位于最大功率点附近;在步长的选取方面，该算法采用一种自适应的变步长算法，电压因子=NdP/dU，其中N为常数，dP/dU为光伏阵列的输出功率和输出电压之比，其大小随工作点的位置的改变而改变。对于定步长的算法来说，误判一般出现在辐射强度剧烈变化的情况下，当辐射强度变化剧烈时，输出电流也随之产生大的波动，所以本算法中会对工作电流的变化(dI)进行比较，当dI大于某一特定值e时，系统就认为辐射强度发生了剧烈变化，从而重新调整初始电压。

对该算法的控制过程具体可以描述为:

第1步检测U(k)，I(k)，Uoc，并令k=1，其中U(k)，I(k)为工作电压和电流，Uoc光伏阵列的开路电压;

第2步令工作电压U(k)=0.8Uoc;

第3步计算功率、电压、电流的变化率，如果电流的变化率|dI|＞e，则返回第一步;

第4步比较功率:

在P(k)＞P(k-1)的情况下，如果U(k)＞U(k-1)，则U(k+1)=U(k)+Δu;如果U(k)＞U(k-1)，则U(k+1)=U(k)-Δu，并令k=k+1，返回第3步;

在P(k)＜P(k-1)的情况下，如果U(k)＞U(k-1)，则U(k+1)=U(k)-Δu;如果U(k)＞U(k-1)，则U(k+1)=U(k)+Δu，并令k=k+1，返回第3步;

其中电压因子电压因子=NdP/dU。

第5步判断P(k)-P(k-1)

若|P(k)-P(k-1)|＜ε(ε为一足够小的正数)，则认为系统已工作在最大功率点，否则返回第4步。

3 模拟实验实现及结果分析

3.1 模拟实验系统实现

本实验系统的基本框图如图6所示，其中用直流电源Us和可变电阻R1来代替光伏电池，DC/DC变换器采用Boost升压电路，MPPT控制器选择TI公司的 DSP TMS320F2812。从图中可以看出该MPPT系统主要由模拟电源、电流采样电路、电压采样电路、TMS320F2812、驱动电路、Boost变换电路以及负载RL组成。

其中，TMS320F2812是整个系统的核心部件其作用是把电流采样电路和电压采样电路采集到的模拟电源的输出电流、输出电压以及开路电压经过A/D转换模块转换成数字信号，经过MPPT算法处理后，输出有一定占空比的PWM方波。通过驱动电路驱动Boost电路的功率开关管Q，从而提高模拟电源的输出功率，实现最大功率跟踪。

驱动电路的作用是提高MPPT控制器所产生PWM波的驱动能力，使得DC/DC变换器的功率开关管能够正常开通和关断。本实验的功率开关管选择MOSFET，对于MOSFET栅-源电压一般选择为10 V～18 V。而通常TMS320F2812的输出电压仅有3.3 V，且输出电流小，不足以满足MOSFET的驱动要求，因此，必须要增加MOSFET驱动电路，以增强PWM波的驱动能力，这样才能正常驱动MOSFET，从而使得DC/DC变换器正常工作。