基于DSP的光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究

王红敏，曹建建

（西安工业大学 工业中心，陕西 西安 710021）

基于DSP的光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究

王红敏，曹建建

（西安工业大学 工业中心，陕西 西安 710021）

基于DSP芯片TMS320F2812设计一种两级式光伏并网发电系统。对该系统提出了一种新型的MPPT控制算法，即在外界环境或负载突变时，先采用一种在线计算短路电流法，避免了对系统正常工作的干扰，以保证跟踪的快速性；在此基础上引入小步长的扰动观察法，对最大功率点处的稳态特性进行优化，可有效减小系统的输出功率在最大功率点的振荡现象。通过Matlab软件分别对扰动观察法、短路电流法以及所提的新型MPPT方法进行仿真，结果表明，该新型MPPT方法能够快速、准确地跟踪外部环境变化，减少了系统在最大功率点的振荡现象，提高了光伏发电系统的效率。

最大功率点跟踪：光伏发电系统；扰动观察法；短路电流法；光伏阵列

随着传统能源的日渐枯竭，太阳能已经成为一种十分具有潜力的新能源，而光伏发电是当前利用太阳能的主要方式之一[1-2]。由于太阳能光伏阵列的输出功率将会随着光照强度、气候条件以及环境温度等的变化而改变，为了使整个系统的效率达到最大化，应该让太阳能电池始终工作于最大功率点处。因此光伏发电系统中最大功率点跟踪的研究[3-4]，具有重要的理论价值和现实意义。

本文按照光伏并网发电系统的要求确定了系统主电路的总体控制结构,采用DSP芯片TMS320F2812实现数字控制的方法，选择了具体的电路参数，并设计了系统其它硬件电路。文中在阐述光伏电池输出特性的基础上，分析了传统的短路电流法和扰动观察法在最大功率点跟踪算法上的优缺点，并提出一种新型的MPPT控制方法，即根据光伏电池工作状态，将短路电路法和扰动观察法相结合以实现光伏电池最大功率点的跟踪。通过在线计算获取短路电流，避免了传统短路电流检测方法对系统运行的干扰，提高了光伏系统效率。在此基础上，为进一步提高对光伏系统的利用效率，在最大功率点附近时采用小步长的扰动观察法，从而有效减小系统在最大功率点的振荡。最后，在Matlab/Simulink平台上进行了仿真验证，结果表明该新型MPPT算法可以快速有效的跟踪光照变化，并且减轻了系统输出功率在最大功率点的振荡现象，从而提高对光伏电池的利用率，跟踪器具有良好的跟踪性能。

1 光伏并网发电系统的系统原理及结构介绍

本文研究的光伏并网发电系统主电路，由前级Boost DC/DC升压电路和后级全桥逆变电路组成,是一个两级式并网逆变系统，其总体控制框图如图1所示。前级 Boost电路实现升压和MPPT，后级电路实现逆变和对并网电流的控制。基于DSP的控制系统中，其优点是可利用Boost电路分别独立的进行MPPT控制互不影响实现灵活扩展多组光伏阵列，其两级设计增加了逆变效率[5]。其中由TMS320F2812组成的控制单元是本系统的核心部分，其主要作用包括：①对交直流电压电流进行采样，以完成最大功率跟踪算法和同步锁相；②产生触发脉冲信号，完成DC/DC和DC/AC电能转换；③检测系统电量及电网的电压与频率，实现系统的过流、欠流、过压、欠压、孤岛效应等保护；④实现与上位机之间的通讯。

图1 光伏发电系统总体控制框图Fig.1 The overall control diagram of photovoltaic power generation system

DSP控制单元要完成上述功能需具有：电量计算、调节控制、脉冲移相触发、同步信号检测、电量测量与上位机通信等环节。根据上述要求，DSP控制器也相应地由以下几个基本单元组成:同步捕获测频和测相单元、移相触发、模拟量输入通道、开关量输入输出通道、通讯接口等单元。

2 最大功率点跟踪算法

2.1 光伏电池特性

最大功率点跟踪 (Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)系统是通过调节电气模块的工作状态，使光伏发电系统能够输出更多电能的电气系统。光伏电池是一种非线性的直流源,图2和图3分别给出了某光伏阵列在不同光照强度和不同电池结温下其输出的特性[6]曲线。由图2和图3可知,当外界自然条件改变时,光伏阵列的输出特性将随之改变,其输出功率及最大功率点亦相应改变。并且,光伏阵列输出电流主要受光照强度变化的影响,而输出电压主要受电池结温变化的影响。当光伏阵列的工作电压处于最大功率点电压UMPP时,光伏阵列就输出最大功率PMPP。

图2 光伏阵列在不同光照强度下的输出特性Fig.2 Output characteristics of photovoltaic array under different light intensity

图3 光伏阵列在不同电池结温下的输出特性Fig.3 Output characteristics of photovoltaic array under different temperature in the battery

2.2 MPPT控制算法

目前较常用的最大功率跟踪算法[7-8]有短路电流检测法、固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制等方法。从图2和图3中光伏阵列的输出特性分析可知，在最大功率点处，光伏阵列输出最大功率PMPP时，其输出电流Io与短路电流IS有一个近似比例关系即：Io=0.92IS，因此若已知光伏电池的IS就可以控制系统，使其近似在最大功率点处工作。但该最大功率点对应的Io会随着光照强度及温度的变化而不同，因此短路电流检测方法控制精度低，通常多应用于小功率场合。

传统扰动观察法的控制原理：假设增加光伏变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比持续增加，反之占空比减小；假设减小变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比持续减小，反之占空比增加。占空比的改变值称为扰动步长△d，扰动步长大小的选取要兼顾光伏发电系统稳态特性及动态特性。图4(a)(b)为扰动观察法在不同扰动步长下的仿真波形，从波形看出，系统响应速度能满足光强变化条件下的动态响应，但在稳态输出时存在较严重的功率振荡现象，随光伏电池输出功率的增加，振荡现象加剧，且扰动步长△d越大，振荡现象越严重。

图4 扰动观察法的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of perturbation and observation method

本文根据在不同的光照强度和温度条件下，恒流源区域内，输出电流对工作电压的改变敏感度很低；在恒压源区域内对电流影响明显。因此拟采用一种新型的MPPT算法：将扰动观察法和短路电流法相结合提出一种新型MPPT算法，即改变扰动步长的短路电流法，以弥补传统方法的不足。设计的新型MPPT控制算法流程图如图5所示。定义系统任一工作时刻为t，系统的工作状态根据光伏电池的输出电压、输出电流来判断：

图5 新型MPPT算法流程图Fig.5 The new MPPT algorithm flow chart

1）计算t时刻光伏电池的输出功率、输出电压，并和t-1时刻的输出值进行比较，判断系统是否工作于最大功率点左侧，即是否处于电流源工作模式；

2）如果系统不处于电流源工作模式，则调整最大功率点电路开关的占空比使其工作于电流源模式；

3）若系统处于电流源工作模式，则通过公式计算得出t时刻 It=△Pt/△Ut及 t+1 时刻 It+1=△Pt+1/△Ut+1，比较 It和 It+1，如果两者差值在误差范围内，则It值可认为等于短路电流IS，将该电流用于最大功率点电路的短路电流检测法控制；

4）若It和It+1差值超出误差范围，且系统在最大功率点左侧工作，则可推断系统工作于最大功率点附近，此时执行小步长的扰动观察法。

5）以上 1)～4)过程不断重复直至△P≈0，此时该光伏发电系统工作在最大功率点。

3 仿真验证及实验结果分析

在软件Matlab/Simulink中搭建光伏系统模型，对本文所提新型MPPT方法进行仿真，以验证其有效性。仿真对象为温度25℃，最大输出功率300 W的光伏电池，该电池最大开路电压为45 V，最大短路电流为8.7 A。当光伏电池输出最大功率300 W时，它的工作电压为38 V，工作电流为 7.8 A。按照光伏阵列输出特性（图3和图4），通过仿真得到光照强度为1 300 W/m2时最大功率点功率为333.45 W，在光照强度为700 W/m2时最大功率点功率为172.62 W。仿真时间在0.2s时光照强度由 1 300 W/m2减少为700 W/m2，在0.3 s时光照强度由700 W/m2增加为1 300 W/m2。分别采用扰动观察法、短路电流法以及文中所提的新型MPPT方法进行仿真。图4是传统扰动观察法在不同扰动步长△d条件下的仿真结果，图6是短路电流法的仿真结果，图7是应用本文新型MPPT法得出的光伏电池输出功率仿真结果。设定光伏电池初始输出功率为0 W，第一个稳定情况下输出功率为250 W，第二个稳定情况下输出功率为100 W,当光伏系统外部环境发生变化时，输出功率经过动态过程后达到稳定。

图6 短路电流法的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of short-circuit current method

图7 新型MPPT方法的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of new MPPT method

从图4～图7中可以看出，3种方法对外部环境变化的响应速度基本相同，但当系统处于稳定工作状态时，3种方法有明显的不同：①扰动观察法（见图4）中，随光伏电池输出功率的增加，振荡现象加剧；△d较大（取值0.06）时，对外界环境变化响应速度快，但在最大功率点附近有较大的功率振荡；△d较小（取值0.02）时，最大功率点附近的功率振荡会减弱，但系统对外界环境变化的响应能力变差。即扰动步长△d大时，在光强变化时能迅速跟踪最大功率点，但稳态输出时功率存在较大的振荡。从表1中也可看出，扰动步长△d大时，稳态输出功率均值减小；②短路电流法（见图6）能迅速跟踪光强的变化。从表1中看出，在光强由1 300 W/m2突变为700 W/m2后，此时最大功率点的输出电压减小，由于设定值不变，导致输出功率减小，功率损失较多。③新型MPPT方法（见图7）在稳定状态下，输出功率总体较平稳仅有微小的波动。对比图4和图7，可以看出新型MPPT方法比扰动观察法有更快的跟踪速度，同时由于稳态逼近最大功率点时的扰动步长可以取得比较小，因此稳态输出功率波动更小。从表1中也可看出，该新型MPPT方法在光强700 W/m2和1 300 W/m2时稳态输出功率值最大，较接近理想值。

表1 3种方法稳态输出功率均值比较Tab.1Threemethodstocomparethemeansteady-stateoutputpower

由图4-图7，分别将传统扰动观察法、短路电流法及本文提出的新型MPPT方法在光伏电池不同稳态输出功率下的功率最大波动值计算汇总得表2。从表2可以看出，本文提出的方法在相同稳态输出功率情况下，最大功率波动值远小于扰动观察法和短路电流法。实验数据结果表明：本文提出的新型MPPT方法具有良好的动态性能和稳态性能，明显优于传统的扰动观察法和短路电流检测法。

表2稳态输出功率的最大波动值Tab.2 Maximum value of the output power fluctuation in steady-state

4 结论

本文阐述了整个光伏并网发电系统的原理框图，分析了光伏发电系统中各个环节的控制作用及方法。将短路电流法和扰动观察法的优缺点进行了分析比较，并分析了光伏电池输出特性，由此引入了新型的MPPT算法，该方法可在线计算出短路电流法控制所需的光伏电池短路电流，避免传统短路电流检测方法干扰系统的正常工作。同时当系统工作接近于最大功率点时采用小步长的扰动观察法，减轻了系统在稳态时的功率振荡，提高了系统的效率及最大功率的跟踪速度和精度。仿真和实验结果均表明，在应用该新型MPPT方法下，系统输出功率能有效消除振荡现象，快速跟踪外部环境的变化，使光伏发电系统的动态和稳态性能得到很大提高，具有较好的实用价值。

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Research on MPPT method of photovoltaic power generation system based on DSP

WANG Hong-min，CAO Jian-jian
（Industrial Training Center，Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China）

To design a two-stage photovoltaic power generation system based on the DSP chip of TMS320F2812.Proposed a new MPPT control algorithm in this system,that is when the external environment or load mutation,an on-line calculation of short-circuit current method is used first,avoid disturbance to the normal work of the system,in order to ensure fast tracking;small step perturbation and observation method is introduced on this basis,the steady state characteristics of the maximum power point is optimized,which can effectively reduce power output of the system in the oscillation phenomenon of maximum power point.Through Matlab software to respectively simulate the perturbation and observation method,short-circuit current method and the new MPPT method,the results show that the new MPPT method can track the changes in the external environment quickly and accurately,reduce the system oscillatory phenomena in the maximum power point,improve the efficiency of photovoltaic power generation system.

maximum power point tracking （MPPT）；photovoltaic power generation system；perturbation and observation method；short-circuit current method；photovoltaic array

TN910

A

1674-6236（2014）17-092-04

2014-05-12 稿件编号：201405075

王红敏（1982—），女，陕西西安人，硕士，助工。研究方向：超大规模集成电路及电工电子类实验教学。