基于DSP28335的光伏電池MPPT控制系統的研究

彭文麗，席自強，鐘 磊，張志文

（湖北工業大學電氣與電子學院，湖北 武漢430068）

光伏發電沒有機械部分，不會消耗能源，不會造成任何有害或導致溫室效應的氣體，發電不受地域限制，太陽能電池陣列結構簡單［1］.但是在實際應用中存在很多問題，其中之一就是：太陽能電池的轉換效率太低.有效解決這個問題需要實時調節光伏電池的工作點電壓，進行最大功率點跟蹤（MPPT），使工作點始終在最大功率點附近.最大功率點跟蹤的控制問題，由于有能夠處理數字信號并且高速度的芯片（DSP），這個問題得到解決.本文采用TI公司的DSP28335作為MPPT的控制器的控制芯片，并且實時采樣光伏電池輸出的電壓和電流，再經過軟件處理，最終達到最大功率點跟蹤的目的.

1 光伏電池的特性

光伏電池的等效模型是單二極管形式，其工作原理可以看成是一個恒電流源與一只正向二極管的并聯回路.

圖1 光伏電池的等效電路圖

圖1 中，Iph是光子在光伏電池內部的光生電流，而且其跟外界條件有關，跟光照強度成正比，同時跟電池的溫度成正比；IVD（二極管電流）為通過PN結的總擴散電流，其方向與Iph相反.圖2為光伏電池在不同溫度下的輸出特性曲線，圖3為光伏電池在不同光照強度下的輸出特性曲線.在任意的外界條件下，光伏電池都具有特定的最大功率點，在現實操作中，為了保證系統工作點能夠實時在最大功率點附近，需要一個MPPT的控制器來保證.

2 最大功率跟蹤原理

DC／DC變換器是用在光伏電池跟逆變器之間，通過調節開關管的占空比來將輸入的直流轉變為另一等級的直流電壓的電路.在光伏發電系統中，一般選用升壓電路，本系統選用的是Boost升壓電路［2］.圖4為Boost電路圖.

圖4 光伏發電系統Boost變換器電路圖

Boost電路由開關管Mosfet、續流二極管D、電感L、電容C和負載R組成.電路的基本原理：在Mosfet導通時，導通時間為ton，此時流過電感L上的電流增加，二極管D反偏截止；在 Mosfet關斷時，關斷時間為toff，二極管D導通，這時由電感L和光伏電池輸出的電量共同給負載供電，同時還要給電容C充電.基于電感在一個周期內的能量守恒定律，可得到以下關系：V ＝toffU／（ton＋toff）＝toffU／T，其中V為Boost電路的輸入電壓；U為輸出電壓.通過軟件改變其輸出的PWM波的占空比來控制Boost電路，從而實現MPPT.

3 MPPT算法及其實現

本文研究的MPPT控制器的控制芯片采用的是TMS320F28335DSP，該芯片具有3個32位CPU定時器，有12路16位的ePWM，有兩個增強型CAN總線控制器，即采用29為標示符，單精度浮點運算（FPU），采樣哈佛流水線結構，能夠快速執行中斷響應.DSP通過接受采樣得到光伏電池輸出的電壓跟電流值，再通過軟件去改變其輸出的PWM波的占空比來控制Boost電路，從而實現MPPT.由圖4可知，其實現過程是通過采樣電路得到光伏電池的輸出電壓跟電流值，然后將信號傳輸到DSP中，通過算法跟策略來輸出PWM信號對開關管Mosfet進行控制，從而達到實現最大功率點跟蹤.本系統MPPT算法使用的是電導增量法.

電導增量法是根據光伏電池的輸出功率跟隨輸出電壓變化率而波動的規律出發，進而推導出系統工作點位于最大功率點時，電導與電導變換率之間的變化.電導增量法也是比較常用的MPPT的算法之一，這個方法控制精確，響應很迅速，與擾動觀測法不同，它可適用于光照強度不斷變換的地方.由于傳感器對于精度要求很高，成本將大幅度增加.

從光伏電池的特性曲線知道，最大功率點的輸出功率PPV與其對應的電壓UPV滿足以下條件：

由此可得到

其中，G為輸出特性曲線的電導：dG為電導G的增量.

由上式可推導得到系統工作點和最大功率點之間的判據如下：

1）G＋dG，則UPV＜UMPP，需要適當地增加參考電壓值來達到大功率點.

2）G＋dG，則UPV＞UMPP，需要適當地減小參考電壓值來達到最大功率點.

3）G＋dG，則UPV＝UMPP，此時正好是工作在最大功率點上.

4 硬件控制電路的設計

本系統的光伏模塊的主要參數如下：輸入電壓為30V，電流為4.5A；輸出電流為96V，電流為2.07A.

4.1 采樣電壓電路

本系統是通過LV28－P采樣得到電壓值，輸出的模擬信號進入DSP28335.電源電壓為3.3V，而且DSP的輸入電壓也為3.3V.如圖5所示為電壓的采樣電路.其中，采樣電阻是R1和R2，電壓傳感器是LV28－P，電壓范圍是10－500V.根據公式（5）可以得到R1大于等于30K.

由于采樣的電壓值需要接到DSP上，所以R2的電壓范圍是0－3.3V，根據公式（6）、（7）可以得到R2≤130Ω.本系統，R2取值為75Ω.

圖5 電壓采樣電路圖

4.2 電流采樣電路

電流采樣電路見圖6.

圖6 電流采樣電路圖

原理跟電壓采樣電路基本相同，電流傳感器采樣的型號為LA55－P，電流測量額定值為50A.

4.3 驅動電路

Mosfet開關管采用的是IRFP250N，輸入電容為C1，這個開關管比一般的要大，所以需要驅動電路有較強的驅動能力.驅動芯片選擇的是HCPL－316J，它的基本特性是：可以兼容CMOS和TYL電平；開關時間為500ns.其中 G＿drive為TMS320F28335產生的PWM信號，經過 HCPL－316J后，接到Mosfet的柵極G上（圖7）.

5 系統軟件設計

MPPT的控制流程如圖8所示，系統是先給控制電路上電后再給主電路上電.

圖7 Mosfet的驅動電路圖

圖8 系統的控制流程圖

在系統上電后，DSP會發出關閉的信號，封鎖驅動脈沖；接著就開始檢測光伏電池的輸出電壓，在此過程需要注意的是，在光伏電池處于充放電時，檢測得到的結果是不準確的，需要連續檢測電壓兩次；在確定電壓值滿足條件后，就要確定光伏電池的初始工作點，在開路電壓的80%左右，并且開啟主電路，在一段時間后，系統將會穩定在假設的工作點，然后給她一個步長，讓工作點降低，隨后就可以用電導增量法來達到目的［3］.

6 實驗與分析

為了驗證系統的有效性，設計MPPT實驗系統，在有太陽時進行試驗，用紙板擋住光照，模擬光照強度突變，可以看出系統的效果，曲線如圖9所示.由圖可知，在時間為15s時將紙板遮擋撤離，模擬光照強度突然增強，系統仍然能夠快速跟蹤到新的最大功率點，而且穩定在最大功率點附近擾動.

圖9 MPPT實驗結果

7 結論

本文提出了一種以DSP28335為控制芯片，Boost變換器為核心的MPPT控制系統.從分析結果可知，由TMS329F28335DSP來控制整個MPPT系統，從而實現了最大功率點跟蹤，而且電路結構簡單，可靠性高，效率高.

［1］ Stefan Krauter.Solar electric power generation－pv energy system［M］.北京：機械工業出版社，2008：：5－12.

［2］ 劉樹林，劉 健，楊銀玲，等.Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析［J］.中國電機學報，2006，26（5）：119－125.

［3］ 張雄偉，陳 亮，許光輝.DSP芯片的原理與開發應用［M］.北京：電子工業出版社，2003.