基于DSP的光伏發電系統中最大功率點跟蹤算法的研究

王紅敏，曹建建

（西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710021）

基于DSP的光伏發電系統中最大功率點跟蹤算法的研究

王紅敏，曹建建

（西安工業大學 工業中心，陜西 西安 710021）

基于DSP芯片TMS320F2812設計一種兩級式光伏并網發電系統。對該系統提出了一種新型的MPPT控制算法，即在外界環境或負載突變時，先采用一種在線計算短路電流法，避免了對系統正常工作的干擾，以保證跟蹤的快速性；在此基礎上引入小步長的擾動觀察法，對最大功率點處的穩態特性進行優化，可有效減小系統的輸出功率在最大功率點的振蕩現象。通過Matlab軟件分別對擾動觀察法、短路電流法以及所提的新型MPPT方法進行仿真，結果表明，該新型MPPT方法能夠快速、準確地跟蹤外部環境變化，減少了系統在最大功率點的振蕩現象，提高了光伏發電系統的效率。

最大功率點跟蹤：光伏發電系統；擾動觀察法；短路電流法；光伏陣列

隨著傳統能源的日漸枯竭，太陽能已經成為一種十分具有潛力的新能源，而光伏發電是當前利用太陽能的主要方式之一[1-2]。由于太陽能光伏陣列的輸出功率將會隨著光照強度、氣候條件以及環境溫度等的變化而改變，為了使整個系統的效率達到最大化，應該讓太陽能電池始終工作于最大功率點處。因此光伏發電系統中最大功率點跟蹤的研究[3-4]，具有重要的理論價值和現實意義。

本文按照光伏并網發電系統的要求確定了系統主電路的總體控制結構,采用DSP芯片TMS320F2812實現數字控制的方法，選擇了具體的電路參數，并設計了系統其它硬件電路。文中在闡述光伏電池輸出特性的基礎上，分析了傳統的短路電流法和擾動觀察法在最大功率點跟蹤算法上的優缺點，并提出一種新型的MPPT控制方法，即根據光伏電池工作狀態，將短路電路法和擾動觀察法相結合以實現光伏電池最大功率點的跟蹤。通過在線計算獲取短路電流，避免了傳統短路電流檢測方法對系統運行的干擾，提高了光伏系統效率。在此基礎上，為進一步提高對光伏系統的利用效率，在最大功率點附近時采用小步長的擾動觀察法，從而有效減小系統在最大功率點的振蕩。最后，在Matlab/Simulink平臺上進行了仿真驗證，結果表明該新型MPPT算法可以快速有效的跟蹤光照變化，并且減輕了系統輸出功率在最大功率點的振蕩現象，從而提高對光伏電池的利用率，跟蹤器具有良好的跟蹤性能。

1 光伏并網發電系統的系統原理及結構介紹

本文研究的光伏并網發電系統主電路，由前級Boost DC/DC升壓電路和后級全橋逆變電路組成,是一個兩級式并網逆變系統，其總體控制框圖如圖1所示。前級 Boost電路實現升壓和MPPT，后級電路實現逆變和對并網電流的控制?；贒SP的控制系統中，其優點是可利用Boost電路分別獨立的進行MPPT控制互不影響實現靈活擴展多組光伏陣列，其兩級設計增加了逆變效率[5]。其中由TMS320F2812組成的控制單元是本系統的核心部分，其主要作用包括：①對交直流電壓電流進行采樣，以完成最大功率跟蹤算法和同步鎖相；②產生觸發脈沖信號，完成DC/DC和DC/AC電能轉換；③檢測系統電量及電網的電壓與頻率，實現系統的過流、欠流、過壓、欠壓、孤島效應等保護；④實現與上位機之間的通訊。

圖1 光伏發電系統總體控制框圖Fig.1 The overall control diagram of photovoltaic power generation system

DSP控制單元要完成上述功能需具有：電量計算、調節控制、脈沖移相觸發、同步信號檢測、電量測量與上位機通信等環節。根據上述要求，DSP控制器也相應地由以下幾個基本單元組成:同步捕獲測頻和測相單元、移相觸發、模擬量輸入通道、開關量輸入輸出通道、通訊接口等單元。

2 最大功率點跟蹤算法

2.1 光伏電池特性

最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)系統是通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏發電系統能夠輸出更多電能的電氣系統。光伏電池是一種非線性的直流源,圖2和圖3分別給出了某光伏陣列在不同光照強度和不同電池結溫下其輸出的特性[6]曲線。由圖2和圖3可知,當外界自然條件改變時,光伏陣列的輸出特性將隨之改變,其輸出功率及最大功率點亦相應改變。并且,光伏陣列輸出電流主要受光照強度變化的影響,而輸出電壓主要受電池結溫變化的影響。當光伏陣列的工作電壓處于最大功率點電壓UMPP時,光伏陣列就輸出最大功率PMPP。

圖2 光伏陣列在不同光照強度下的輸出特性Fig.2 Output characteristics of photovoltaic array under different light intensity

圖3 光伏陣列在不同電池結溫下的輸出特性Fig.3 Output characteristics of photovoltaic array under different temperature in the battery

2.2 MPPT控制算法

目前較常用的最大功率跟蹤算法[7-8]有短路電流檢測法、固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、模糊邏輯控制等方法。從圖2和圖3中光伏陣列的輸出特性分析可知，在最大功率點處，光伏陣列輸出最大功率PMPP時，其輸出電流Io與短路電流IS有一個近似比例關系即：Io=0.92IS，因此若已知光伏電池的IS就可以控制系統，使其近似在最大功率點處工作。但該最大功率點對應的Io會隨著光照強度及溫度的變化而不同，因此短路電流檢測方法控制精度低，通常多應用于小功率場合。

傳統擾動觀察法的控制原理：假設增加光伏變換器的占空比，若光伏陣列輸出功率增加，則占空比持續增加，反之占空比減?。患僭O減小變換器的占空比，若光伏陣列輸出功率增加，則占空比持續減小，反之占空比增加。占空比的改變值稱為擾動步長△d，擾動步長大小的選取要兼顧光伏發電系統穩態特性及動態特性。圖4(a)(b)為擾動觀察法在不同擾動步長下的仿真波形，從波形看出，系統響應速度能滿足光強變化條件下的動態響應，但在穩態輸出時存在較嚴重的功率振蕩現象，隨光伏電池輸出功率的增加，振蕩現象加劇，且擾動步長△d越大，振蕩現象越嚴重。

圖4 擾動觀察法的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of perturbation and observation method

本文根據在不同的光照強度和溫度條件下，恒流源區域內，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低；在恒壓源區域內對電流影響明顯。因此擬采用一種新型的MPPT算法：將擾動觀察法和短路電流法相結合提出一種新型MPPT算法，即改變擾動步長的短路電流法，以彌補傳統方法的不足。設計的新型MPPT控制算法流程圖如圖5所示。定義系統任一工作時刻為t，系統的工作狀態根據光伏電池的輸出電壓、輸出電流來判斷：

圖5 新型MPPT算法流程圖Fig.5 The new MPPT algorithm flow chart

1）計算t時刻光伏電池的輸出功率、輸出電壓，并和t-1時刻的輸出值進行比較，判斷系統是否工作于最大功率點左側，即是否處于電流源工作模式；

2）如果系統不處于電流源工作模式，則調整最大功率點電路開關的占空比使其工作于電流源模式；

3）若系統處于電流源工作模式，則通過公式計算得出t時刻 It=△Pt/△Ut及 t+1 時刻 It+1=△Pt+1/△Ut+1，比較 It和 It+1，如果兩者差值在誤差范圍內，則It值可認為等于短路電流IS，將該電流用于最大功率點電路的短路電流檢測法控制；

4）若It和It+1差值超出誤差范圍，且系統在最大功率點左側工作，則可推斷系統工作于最大功率點附近，此時執行小步長的擾動觀察法。

5）以上 1)～4)過程不斷重復直至△P≈0，此時該光伏發電系統工作在最大功率點。

3 仿真驗證及實驗結果分析

在軟件Matlab/Simulink中搭建光伏系統模型，對本文所提新型MPPT方法進行仿真，以驗證其有效性。仿真對象為溫度25℃，最大輸出功率300 W的光伏電池，該電池最大開路電壓為45 V，最大短路電流為8.7 A。當光伏電池輸出最大功率300 W時，它的工作電壓為38 V，工作電流為 7.8 A。按照光伏陣列輸出特性（圖3和圖4），通過仿真得到光照強度為1 300 W/m2時最大功率點功率為333.45 W，在光照強度為700 W/m2時最大功率點功率為172.62 W。仿真時間在0.2s時光照強度由 1 300 W/m2減少為700 W/m2，在0.3 s時光照強度由700 W/m2增加為1 300 W/m2。分別采用擾動觀察法、短路電流法以及文中所提的新型MPPT方法進行仿真。圖4是傳統擾動觀察法在不同擾動步長△d條件下的仿真結果，圖6是短路電流法的仿真結果，圖7是應用本文新型MPPT法得出的光伏電池輸出功率仿真結果。設定光伏電池初始輸出功率為0 W，第一個穩定情況下輸出功率為250 W，第二個穩定情況下輸出功率為100 W,當光伏系統外部環境發生變化時，輸出功率經過動態過程后達到穩定。

圖6 短路電流法的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of short-circuit current method

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

從圖4～圖7中可以看出，3種方法對外部環境變化的響應速度基本相同，但當系統處于穩定工作狀態時，3種方法有明顯的不同：①擾動觀察法（見圖4）中，隨光伏電池輸出功率的增加，振蕩現象加劇；△d較大（取值0.06）時，對外界環境變化響應速度快，但在最大功率點附近有較大的功率振蕩；△d較?。ㄈ≈?.02）時，最大功率點附近的功率振蕩會減弱，但系統對外界環境變化的響應能力變差。即擾動步長△d大時，在光強變化時能迅速跟蹤最大功率點，但穩態輸出時功率存在較大的振蕩。從表1中也可看出，擾動步長△d大時，穩態輸出功率均值減??；②短路電流法（見圖6）能迅速跟蹤光強的變化。從表1中看出，在光強由1 300 W/m2突變為700 W/m2后，此時最大功率點的輸出電壓減小，由于設定值不變，導致輸出功率減小，功率損失較多。③新型MPPT方法（見圖7）在穩定狀態下，輸出功率總體較平穩僅有微小的波動。對比圖4和圖7，可以看出新型MPPT方法比擾動觀察法有更快的跟蹤速度，同時由于穩態逼近最大功率點時的擾動步長可以取得比較小，因此穩態輸出功率波動更小。從表1中也可看出，該新型MPPT方法在光強700 W/m2和1 300 W/m2時穩態輸出功率值最大，較接近理想值。

表1 3種方法穩態輸出功率均值比較Tab.1Threemethodstocomparethemeansteady-stateoutputpower

由圖4-圖7，分別將傳統擾動觀察法、短路電流法及本文提出的新型MPPT方法在光伏電池不同穩態輸出功率下的功率最大波動值計算匯總得表2。從表2可以看出，本文提出的方法在相同穩態輸出功率情況下，最大功率波動值遠小于擾動觀察法和短路電流法。實驗數據結果表明：本文提出的新型MPPT方法具有良好的動態性能和穩態性能，明顯優于傳統的擾動觀察法和短路電流檢測法。

表2穩態輸出功率的最大波動值Tab.2 Maximum value of the output power fluctuation in steady-state

4 結論

本文闡述了整個光伏并網發電系統的原理框圖，分析了光伏發電系統中各個環節的控制作用及方法。將短路電流法和擾動觀察法的優缺點進行了分析比較，并分析了光伏電池輸出特性，由此引入了新型的MPPT算法，該方法可在線計算出短路電流法控制所需的光伏電池短路電流，避免傳統短路電流檢測方法干擾系統的正常工作。同時當系統工作接近于最大功率點時采用小步長的擾動觀察法，減輕了系統在穩態時的功率振蕩，提高了系統的效率及最大功率的跟蹤速度和精度。仿真和實驗結果均表明，在應用該新型MPPT方法下，系統輸出功率能有效消除振蕩現象，快速跟蹤外部環境的變化，使光伏發電系統的動態和穩態性能得到很大提高，具有較好的實用價值。

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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 稿件編號：201405075

王紅敏（1982—），女，陜西西安人，碩士，助工。研究方向：超大規模集成電路及電工電子類實驗教學。