基于DSP的光伏最大功率跟蹤技術(shù)的研究

靳海亮，付周興

(西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，西安710054)

眾所周知，太陽(yáng)能作為一種取之不盡、用之不竭的新能源，其具有分布廣泛、豐富、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)逐漸受到世界各國(guó)的重視。目前，對(duì)太陽(yáng)能最重要的使用就是用來(lái)發(fā)電。太陽(yáng)能光伏發(fā)電具有充分的清潔性、絕對(duì)的安全性、資源的相對(duì)廣泛性和充足性、長(zhǎng)壽性和免維護(hù)性等其它常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。但是，光伏電池的輸出功率受負(fù)載大小、環(huán)境溫度、輻射強(qiáng)度等因素的影響使得光伏利用存在著轉(zhuǎn)換效率低的缺點(diǎn)。因此，為提高太陽(yáng)能的利用率，最大功率點(diǎn)(MPP)的跟蹤一直是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題可在光伏電池與負(fù)載之間加入最大功率裝置，通過(guò)調(diào)節(jié)該裝置使得光伏電池快速地工作于最大功率點(diǎn)。

圖1 太陽(yáng)能電池隨光照強(qiáng)度變化的輸出特性曲線

1 光伏電池特性及其模擬實(shí)驗(yàn)電路

1.1 光伏電池特性

太陽(yáng)能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。而光伏電池正是以太陽(yáng)能的光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)來(lái)制成的將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。實(shí)際中，太陽(yáng)能電池是一種非線性電源，在給定的外部環(huán)境下，隨著輸出電流的變化，太陽(yáng)能電池的輸出功率和端口電壓都會(huì)出現(xiàn)非線性變化。太陽(yáng)能電池的輸出特性曲線如圖1圖2所示［1-3］。由圖1、圖2可以看出光照強(qiáng)度對(duì)輸出電流的影響較大，且輸出電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大;而溫度主要影響光伏電池的輸出電壓，溫度降低，輸出電壓增大。同時(shí)光照強(qiáng)度或溫度變化都會(huì)使得輸出功率隨之變化。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于溫度變化是一個(gè)漸變的過(guò)程，所以通常會(huì)著重考慮光照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)的影響。

圖2 太陽(yáng)能電池隨溫度變化的輸出特性曲線

1.2 模擬實(shí)驗(yàn)電路

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，直接使用太陽(yáng)能電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)存在著時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高等缺點(diǎn)。為了方便、可靠地對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行MPPT實(shí)驗(yàn)，可使用直流電源加可變電阻來(lái)模擬光伏電池的輸出特性曲線［4］。對(duì)于光伏電池來(lái)說(shuō)，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化后，其輸出特性表現(xiàn)為輸出電壓與電流的變化，實(shí)則是光伏電池的內(nèi)阻發(fā)生變化，因此本實(shí)驗(yàn)選擇改變可變電阻的阻值來(lái)模擬外界條件的變化的情況。實(shí)驗(yàn)電路如圖3所示，其中模擬的光伏電池由直流電源Us和可變電阻R1組成，RL為負(fù)載，DC/DC變換采用Boost電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 實(shí)驗(yàn)電路框圖

圖4 Boost電路結(jié)構(gòu)圖

圖4中Boost電路由電感L、二極管D、電容Co和功率開(kāi)關(guān)管Q(本實(shí)驗(yàn)采用MOSFET)組成。為了提高效率一般都期望Boost電路工作在電流連續(xù)狀態(tài)下，在電流連續(xù)工作模式下，Boost電路電壓輸入輸出的關(guān)系為:

其中D為功率開(kāi)關(guān)Q的占空比，由上式可見(jiàn)通過(guò)改變占空比D可以改變輸出電壓Uo。根據(jù)能量的守恒關(guān)系，可以推導(dǎo)出式(2)

由式(2)可以看出，Boost電路可以通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比，將一種等效阻抗變換成另一種等效阻抗，使得與模擬光伏電池阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

2 MPPT原理與算法選擇

2.1 MPPT原理

最大功率跟蹤MPPT(Maximum Power Poin Tracking)是太陽(yáng)能發(fā)電的一項(xiàng)重要技術(shù)，它是指為充分利用太陽(yáng)能，通過(guò)控制改變光伏電池陣列的輸出電壓或電流，以使得光伏陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上［5］。光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用條件如光照強(qiáng)度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在唯一的最大功率點(diǎn)上［6］。

圖5中的曲線是在一定光照強(qiáng)度下的光伏I-V輸出特性曲線，其中直線1和直線2為兩條負(fù)載曲線。直線1和特性曲線的交點(diǎn)a即為光伏電池的工作點(diǎn)。如果不改變負(fù)載特性，則系統(tǒng)工作在a點(diǎn)，但a點(diǎn)的輸出功率P=V1I1小于MPP處的功率PMpp=VmIm。如果改變負(fù)載阻抗，則可以使負(fù)載曲線1移動(dòng)到負(fù)載曲線2處，這樣負(fù)載曲線與光伏電池輸出特性曲線的交點(diǎn)就從a點(diǎn)移到MPP處，使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)處。當(dāng)光強(qiáng)變化時(shí)，光伏電池的輸出特性也會(huì)變化，則可以相應(yīng)地調(diào)整負(fù)載阻抗，使它仍能工作在最大功率點(diǎn)上。在不同的環(huán)境條件下，按輸出最大功率的要求來(lái)進(jìn)行調(diào)整負(fù)載阻抗，則能使太陽(yáng)能得到最大利用，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的控制［7］。

圖5 最大功率跟蹤原理

2.2 MPPT算法選擇

圖6 模擬實(shí)驗(yàn)基本框圖

常用的MPPT控制方法主要有恒定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法、電導(dǎo)增量法等。根據(jù)最大功率點(diǎn)判據(jù)的不同每種方法的原理也略有差別［8］。鑒于傳統(tǒng)定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法和定步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法在進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)不可避免的存在振動(dòng)和誤判現(xiàn)象，本文提出了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法。該算法將恒定電壓法和擾動(dòng)觀測(cè)法相結(jié)合，在初始時(shí)刻，選取U=0.8Uoc，從而使工作點(diǎn)盡快的位于最大功率點(diǎn)附近;在步長(zhǎng)的選取方面，該算法采用一種自適應(yīng)的變步長(zhǎng)算法，電壓因子=NdP/dU，其中N為常數(shù)，dP/dU為光伏陣列的輸出功率和輸出電壓之比，其大小隨工作點(diǎn)的位置的改變而改變。對(duì)于定步長(zhǎng)的算法來(lái)說(shuō)，誤判一般出現(xiàn)在輻射強(qiáng)度劇烈變化的情況下，當(dāng)輻射強(qiáng)度變化劇烈時(shí)，輸出電流也隨之產(chǎn)生大的波動(dòng)，所以本算法中會(huì)對(duì)工作電流的變化(dI)進(jìn)行比較，當(dāng)dI大于某一特定值e時(shí)，系統(tǒng)就認(rèn)為輻射強(qiáng)度發(fā)生了劇烈變化，從而重新調(diào)整初始電壓。

對(duì)該算法的控制過(guò)程具體可以描述為:

第1步 檢測(cè)U(k)，I(k)，Uoc，并令k=1，其中U(k)，I(k)為工作電壓和電流，Uoc光伏陣列的開(kāi)路電壓;

第2步 令工作電壓U(k)=0.8Uoc;

第3步 計(jì)算功率、電壓、電流的變化率，如果電流的變化率|dI|＞e，則返回第一步;

第4步 比較功率:

在P(k)＞P(k-1)的情況下，如果U(k)＞U(k-1)，則U(k+1)=U(k)+Δu;如果U(k)＞U(k-1)，則U(k+1)=U(k)-Δu，并令k=k+1，返回第3步;

在P(k)＜P(k-1)的情況下，如果U(k)＞U(k-1)，則U(k+1)=U(k)-Δu;如果U(k)＞U(k-1)，則U(k+1)=U(k)+Δu，并令k=k+1，返回第3步;

其中電壓因子電壓因子=NdP/dU。

第5步 判斷P(k)-P(k-1)

若|P(k)-P(k-1)|＜ε(ε為一足夠小的正數(shù))，則認(rèn)為系統(tǒng)已工作在最大功率點(diǎn)，否則返回第4步。

3 模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)及結(jié)果分析

3.1 模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本框圖如圖6所示，其中用直流電源Us和可變電阻R1來(lái)代替光伏電池，DC/DC變換器采用Boost升壓電路，MPPT控制器選擇TI公司的 DSP TMS320F2812。從圖中可以看出該MPPT系統(tǒng)主要由模擬電源、電流采樣電路、電壓采樣電路、TMS320F2812、驅(qū)動(dòng)電路、Boost變換電路以及負(fù)載RL組成。

其中，TMS320F2812是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件其作用是把電流采樣電路和電壓采樣電路采集到的模擬電源的輸出電流、輸出電壓以及開(kāi)路電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)MPPT算法處理后，輸出有一定占空比的PWM方波。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)Boost電路的功率開(kāi)關(guān)管Q，從而提高模擬電源的輸出功率，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

驅(qū)動(dòng)電路的作用是提高M(jìn)PPT控制器所產(chǎn)生PWM波的驅(qū)動(dòng)能力，使得DC/DC變換器的功率開(kāi)關(guān)管能夠正常開(kāi)通和關(guān)斷。本實(shí)驗(yàn)的功率開(kāi)關(guān)管選擇MOSFET，對(duì)于MOSFET柵-源電壓一般選擇為10 V～18 V。而通常TMS320F2812的輸出電壓僅有3.3 V，且輸出電流小，不足以滿足MOSFET的驅(qū)動(dòng)要求，因此，必須要增加MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，以增強(qiáng)PWM波的驅(qū)動(dòng)能力，這樣才能正常驅(qū)動(dòng)MOSFET，從而使得DC/DC變換器正常工作。

3.2 結(jié)果分析

在圖6中Ri=Ui/Ii，由前面的分析知當(dāng)Ri=R1時(shí),模擬太陽(yáng)能電池電路的輸出功率達(dá)到最大值，此時(shí)

在上述的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，測(cè)得的數(shù)據(jù)如下所示。

當(dāng)US=30V、R1=20 Ω 時(shí)，由式(3)可計(jì)算出理論的最大輸出功率為11.25 W。改變負(fù)載電阻RL進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 改變負(fù)載電阻RL時(shí)測(cè)量結(jié)果

由表1可以看出，改變負(fù)載RL，實(shí)際功率會(huì)隨之改變，輸出的實(shí)際功率和理論值比較接近，其中的誤差是由于采樣精度以及占空比調(diào)節(jié)精度所致。

當(dāng)US=30 V，RL=40 Ω，即保持直流電源和負(fù)載不變，改變可變電阻R1的值，計(jì)算出理論的最大輸出功率和實(shí)際輸出功率如表2所示。由表2可以看出，在R1較高時(shí)，測(cè)量的精度比較準(zhǔn)確，這是由于在R1較小時(shí)輸入電壓受到電感峰峰電流的影響比較大。

表2 改變可變電阻R1時(shí)測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)光伏電池的輸出特性曲線，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下用直流電源和可變電阻代替光伏電池來(lái)搭建實(shí)現(xiàn)模型，采用Boost電路實(shí)現(xiàn)DC/DC變換，并選擇TMS320F2812作為控制器來(lái)控制算法的實(shí)施。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)負(fù)載和可變電阻的值發(fā)生變化時(shí)，該系統(tǒng)可以很好的完成最大功率的跟蹤。

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