基于STM32的MPPT光伏匯流箱設(shè)計(jì)

袁紹民 孟繁偉 趙海斌 張立強(qiáng) 劉浩

摘要：提出了一種以STM32F103為控制芯片的MPPT匯流箱的設(shè)計(jì)方法，一片STM32F103控制四路BOOST電路，四路控制脈沖相位互錯(cuò)90度，以減小輸出紋波；RS485主從式的通訊架構(gòu)；采用基于功率預(yù)測(cè)的MPPT算法，電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方法；基于最小時(shí)間片的軟件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：MPP了匯流箱STM32 BOOST錯(cuò)相位

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2016.2.012

引言

近年來(lái)，由于光伏技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電密度提出了越來(lái)越高的要求，電站業(yè)主希望單位光伏組件下，能夠取得更高的發(fā)電收益.在山地等地形復(fù)雜，朝向各異的光伏電站里，組串式逆變器和MPPT匯流箱由于在組串級(jí)集成了光伏最大功率點(diǎn)追蹤功能，越來(lái)越受到業(yè)主的青睞。然而，組串逆變器存在交流線損大和并網(wǎng)諧波大電能質(zhì)量較差、造價(jià)大等缺點(diǎn)；MPPT匯流箱配合集中式逆變器，不但發(fā)揮了集中式逆變器電能質(zhì)量高諧波小，交流線損小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有組串式逆變器組串級(jí)MPPT追蹤的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的追捧。但是，由于MPPT匯流箱較普通的匯流箱增加了成本，在方案設(shè)計(jì)和器件選型上必須充分考慮成本因素。一般的MPPT控制算法往往采用DSP等MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，但DSP器件成本相對(duì)一般的MCU成本較高。

STM32是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的ARM CORTEX內(nèi)核的MCU，STM32F1系列屬于中低端的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器，最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHZ（DhrystONe2.1），單周期乘法和硬件除法.由于具有性價(jià)比突出的優(yōu)點(diǎn)，再越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

本文研究了一種基于STM32F103的MPPT匯流箱的實(shí)現(xiàn)方法，包括MPPT算法和控制的實(shí)現(xiàn)，TI IQmath庫(kù)在STM32上的移植，M PPT匯流箱電路結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法；列舉了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)效果.

1 MPP了匯流箱的電路結(jié)構(gòu)

如圖P所示，MPPT匯流箱集成了多路MPPT追蹤器，N匯一的MPPT匯流箱可以集成N路MPPT追蹤器。如圖2所示每?jī)陕稭PPT追蹤器共用一個(gè)STM32控制，構(gòu)成了一個(gè)MPPT追蹤器單元；每相鄰的兩路BOOST電路并聯(lián)二極管輸出，當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓，MPPT停止工作，采用二極管直通發(fā)電的形式，從而最大限度降低，BOOST升壓電路損耗；多路MPPT追蹤器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了得到更小的紋波，MPPT追蹤器單元內(nèi)部四路BOOST采用互錯(cuò)90度相位輸出，其中GP和G2內(nèi)部?jī)陕稡OOST錯(cuò)P80度相位。如圖2 BOOST1和BOOST2錯(cuò)180度相位，BOOST3和BOOST4錯(cuò)180度相位，BOOST1、BOOST3、BOOST2、BOOST4互相錯(cuò)90度相位。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，可以采用更小的輸出電容，系統(tǒng)也更容易穩(wěn)定。

可以看出，BOOST的電感電流波形為鋸齒波，兩路鋸齒波之間在相位上互相差P 80度。

2 MPPT追蹤器之間的通訊

2.1通訊架構(gòu)

N路 MPPT追蹤器并聯(lián)組成MPPT匯流箱，MPPT匯流箱首先要收集各個(gè)追蹤器的信息，匯總之后要和遠(yuǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。匯流箱之間采用RS485總線的通訊架構(gòu)，N路MPPT追蹤器之間也采用RS485總線方式通訊，通過撥碼開關(guān)選擇485地址，其中P號(hào)追蹤器為主站，其他N-P路為從站。RS485為差分方式的線路結(jié)構(gòu)，能夠最大限度的抗系統(tǒng)的共模干擾。

主站負(fù)責(zé)收集從站信息，同時(shí)主站對(duì)外也采用RS485方式傳輸匯流箱信息.

2.2通訊協(xié)議

協(xié)議采用MODBUS RTU協(xié)議，Modbus是由Modicon（現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌）在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。特點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)。

主站格式

3 MPPT控制算法

MPPT控制算法采用3點(diǎn)式功率預(yù)測(cè)的方法，如圖4所示PK2為當(dāng)前周期的功率值，PK1和PK0分別是上周期和上上周期陣列功率。UK和DUK0分別是當(dāng)前周期和前上上周期陣列電壓.

4 PV MPPT控制實(shí)現(xiàn)

MPPT控制的算法實(shí)現(xiàn)基于BOOST硬件電路，控制算法上采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，MPPT算法模塊算出電壓環(huán)的電壓給定，電壓調(diào)節(jié)器計(jì)算出電流調(diào)節(jié)器的電流給定。其中電流調(diào)節(jié)器采用最小控制周期（64uS），電壓調(diào)節(jié)器采用8倍最小控制周期（5P2uS），

MPPT算法模塊采用2000倍的最小控制周期（128mS）。

5基于STM32的實(shí)現(xiàn)

（P）應(yīng)用IQmath庫(kù)

由于STM32F103系列MCU為定點(diǎn)MCU，計(jì)算浮點(diǎn)算法要消耗大量的時(shí)間，因此直接計(jì)算浮點(diǎn)乘法是不可取的。本文將TIIQmath算法庫(kù)移植到了STM32F103上。

德州儀器（TI）IQmath是一個(gè)高度優(yōu)化和高精度的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)集，通常用于計(jì)算密集的實(shí)時(shí)應(yīng)用，可以獲得最佳的執(zhí)行速度和高精確度。此IQmath庫(kù)是TI為其C2000系列定點(diǎn)DSP發(fā)布的實(shí)時(shí)算法庫(kù)，在STM32上應(yīng)用還比較少。

（2）如何得到得到最小的CPU帶寬

由于一個(gè)STM32F103負(fù)責(zé)控制兩路mppt，那就需要兩個(gè)MPPT算法塊，兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)器和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器。而最小控制周期是最占用CPU帶寬的，最小控制周期會(huì)執(zhí)行電壓電流AD采樣值計(jì)算，標(biāo)幺化處理，以及兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器算法，以及PWM脈沖的生成。

為了在最小的控制周期里執(zhí)行完成這些內(nèi)容，可以進(jìn)行如下處理。

（1）AD采樣采用DMA方式，STM32FP 03兩個(gè)ADC同時(shí)采樣

（2）IAR編譯器設(shè)置優(yōu)化為：最大速度優(yōu)化

（3）如何構(gòu)建時(shí)間片方式的架構(gòu)

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，要求CPU嚴(yán)格以時(shí)間片方式執(zhí)行控制算法。本文采用了ucos ii操作系統(tǒng)方式。STM32的PWM是由定時(shí)器生成，因此，本文采用了以PWM定時(shí)器作為ucos ii的時(shí)鐘節(jié)拍，分配不同的控制周期為不同的任務(wù)，最小控制周期有最高的優(yōu)先級(jí)。

6 MPPT追蹤器效率

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得MPPT追蹤器效率為99.306%

7 MPPT追蹤精度

采用Topcontrol光伏模擬源模擬PV組件，MPPT追蹤曲線如圖7所示，可見MPPT追蹤精度實(shí)測(cè)達(dá)到了99.9%

8結(jié)論

經(jīng)實(shí)測(cè)本MPPT匯流箱，達(dá)到了預(yù)想的效果，實(shí)現(xiàn)了較高的效率和較高的追蹤精度.應(yīng)用在光伏組串側(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)組串級(jí)的MPPT追蹤，與集中式逆變器相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)更加多路的MPPT追蹤效果，具有很廣闊的應(yīng)用前景。