光伏發電系統最大功率跟蹤控制器設計

李繼川， 王若醒， 霍富強

(許繼集團有限公司，河南許昌461000)

光伏發電系統最大功率跟蹤控制器設計

李繼川， 王若醒， 霍富強

(許繼集團有限公司，河南許昌461000)

分析了光伏組件輸出特性和傳統最大功率跟蹤方法優缺點，提出了變步長微量電導法。在Matlab/Simulink中，基于BUCK DC/DC變流器進行仿真實驗；對比分析傳統微量電導法和變步長微量電導法的仿真實驗；仿真結果表明，光照強度和溫度變化時，該方法能快速、準確地跟蹤光伏組件輸出的最大功率。基于TMS320F2812 DSP設計了最大功率跟蹤控制器電路。

光伏組件；最大功率跟蹤；變步長微量電導法

目前，綠色可再生能源得到廣泛應用，光伏發電以其獨特優勢得到青睞。由于光伏組件輸出功率非常容易受光照強度和溫度等環境因素影響，為充分利用光伏組件輸出功率，必須使輸出功率始終保持最大[1]，即實時跟蹤光伏組件的最大功率，因此，對最大功率跟蹤的研究尤為必要。

最大功率跟蹤控制策略主要有擾動觀察法、微量電導法、滑模控制法及神經元網絡法等。擾動觀察法控制簡單但只能振蕩在最大功率附近，微量電導法控制精確但運算復雜，滑模控制法和神經元網絡法控制較為復雜。筆者提出了運算簡單控制精確的變步長微量電導法，并在Matlab/Simulink中驗證了這種控制策略的正確性。基于這種控制策略和TMS320F2812 DSP設計了最大功率跟蹤控制器。

1 系統架構

圖1是光伏發電系統架構圖，光伏組件將太陽光能轉化為電能，通過DC/DC變流器將電能供給于負載，選用鉛酸蓄電池(VRLA)為負載，圖1虛框部分是最大功率跟蹤控制器，主要由DC/DC變流器和TMS320F2812 DSP組成。TMS320F2812 DSP輸出PWM波，通過驅動電路控制DC/DC變流器的輸出電壓，使光伏組件工作在最大功率處。

圖1 光伏發電系統架構圖

2 最大功率跟蹤控制策略

光伏組件輸出P-V特性曲線如圖2所示，由該圖2可見，光伏組件是一種非線性電源，且只有一處最大電功率點(MPP)，但并非任意大。光伏組件的最大功率點(MPP)除了與自身特性有關外，主要與光照強度和溫度等外部條件有關；在不同的光照強度和溫度條件下，光伏組件輸出功率不同；要使光伏組件盡可能工作在最大功率點，必須進行最大功率跟蹤。由線性電源最大功率傳輸定理可知，電源內阻和等效負載電阻相等時，電源輸出功率最大[2]。在極短的時間內，可認為光伏組件和DC/DC變流器(等效電阻)組成的電源是線性的；通過調整DC/DC變流器PWM波占空比，使變流器電阻與光伏組件內阻相等，光伏組件輸出功率最大。

圖2 光伏組件輸出P-V特性曲線圖

由圖2可知，光伏組件輸出P-V特性是一條單峰曲線，最大電功率點(MPP)處斜率為零即電導為零，因此根據公式(1)找到電導為零的點即找到最大功率點。然而距離MPP越遠，電導絕對值越大，反之，電導絕對值越小；根據這一電導特性，選用變步長微量電導法進行最大功率跟蹤[3-4]。變步長微量電導法的基本原理是：距離最大功率點較遠，跟蹤步長較大；反之，跟蹤步長較小。控制器根據電導的變化量和變化方向，自動改變跟蹤步長；動態修正控制DC/DC變流器的PWM波占空比，變流器電阻逐步逼近光伏組件內阻，使組件輸出功率最大，從而實現最大功率跟蹤，其控制流程如圖3所示。占空比如公式(2)所示；步長如公式(3)和公式(4)所示，Δmax是初始步長，是比例系數，決定了跟蹤靈敏度。變步長微量電導法跟蹤開始時，步長較大，跟蹤速度快；接近最大功率點時，步長變小，跟蹤精度高。這樣兼顧了跟蹤速度和精度，但對控制器的數字處理能力要求較高。

在Matlab/Simulink中對變步長微量電導法最大功率跟蹤控制策略進行仿真驗證，并對比傳統的微量電導法進行分析。DC/DC變流器是BUCK電路，負載是鉛酸蓄電池；光伏組件電氣參數max=35 W，max=16.5 V，max=2.12 A，光照強度和溫度分別為1 000 W/m2和25℃；Δmax=0.2，=0.06。在標準條件下運行至3 s處，溫度由25℃躍升至50℃，傳統微量電導法和變步長微量電導法的仿真結果如圖4所示。由圖4可見，這兩種跟蹤方法的穩態性能基本一致，但變步長微量電導法的動態響應能力較好。圖5和圖6分別給出了溫度和光照強度變化時，變步長微量電導法跟蹤策略輸出的電流波形；可見，變步長微量電導法完成了最大功率跟蹤，跟蹤速度快且平穩，動態性能優異；穩態后對應輸出電流呈現一定的波動，但不影響總體跟蹤效果，總的來講，動態和靜態性能較優異。

圖3 變步長微量電導法最大功率跟蹤控制策略流程圖

圖4 微量電導法最大跟蹤仿真波形

圖5 溫度25℃升至50℃電流波形

3 電路設計

根據理論研究和仿真分析，最大功率跟蹤控制器的控制策略選用變步長微量電導法。本節設計的最大功率跟蹤控制器電路主要包括TMS320F2812 DSP外圍、數據采樣和BUCK電路。TMS320F2812 DSP作為控制器核心主要負責變步長微量電導法算法、電壓電流數據采樣、LCD動態顯示、保護及故障提示任務之間的協調；BUCK電路主要完成電能變換。

圖6 光照強度1 000 W/m2降至700 W/m2電流波形

3.1 DSP選擇與數據采集的實現

直流電流采集選用TBC5PS 3.3高精度雙閉環霍爾電流傳感器，該傳感器的原邊檢測范圍在0～12 A，副邊輸電電壓范圍在0～0.625 V(取樣電阻100 Ω)，響應時間<500 ns，線性度<0.1%FS，電源3.3 V；直流電壓檢測電路選用簡單實用的由精密電阻組成分壓電路，這里不詳細介紹。為提高控制器的數據處理精度、速度和抗干擾能力，選用TMS320F2812 DSP作為控制器芯片[5]。

TMS320F2812 DSP是高性能系統級芯片，自動中斷響應和高速處理異步事件，提高了運算速度；12位高頻A/D引腳可高速精準采樣；事件管理模塊(EV)可精確編程產生最大功率跟蹤的PWM波。選用TMS320F2812 DSP作為控制器的控制芯片，可以充分利用其芯片豐富的內部資源，省去部分外圍電路，簡化電路設計；可以有效降低電路功耗和噪聲干擾，提高系統的穩定性和電路的集成度[6]，也便于維護和升級。霍爾電流傳感器與TMS320F2812 DSP接口電路如圖7所示，霍爾電流傳感器輸出電流經取樣電阻R10轉化為電壓信號，經LM358“隔離”后，通過濾波電路，消除信號中的共模、串模干擾及高頻干擾后，直接差分輸入到TMS320F2812 DSP的模擬輸入端ADCINA0和ADCINA1，進行信號放大和A/D轉換。

圖7 TMS320F2812DSP接口電路圖

3.2 BUCK電路設計

DC/DC變流器選用BUCK電路，如圖8所示，主要包括驅動電路和功率主電路兩部分。BUCK電路的優點主要是功率開關管輸入電流小，線路功耗小，結構簡單，控制容易。

圖8 BUCK電路圖

圖 8中 D7、C24、Q8、D8、L2、C25和鉛酸蓄電池組成BUCK功率主電路，其中D7是防反接二極管，L2和C25主要用于平抑電路通斷瞬間電流、電壓突變。根據d和d的變化和變步長微量電導法控制策略，控制器輸出PWM控制信號，經U8(TLP521)和U9(IR2117是美國國際整流公司生產的IGBT或MOSFET電壓型功率開關管的專用集成驅動芯片)組成的光電隔離裝置后，控制BUCK電路中MOSFET管Q8的通斷時間；改變光伏組件的輸出電壓，使光伏組件逐步穩定在最大功率點處，即實現最大功率跟蹤。控制器根據d和d變化，尋找新的最大功率點，使光伏組件始終工作在最大功率點；最大功率跟蹤實質是功率尋優的動態平衡過程。

4 結束語

通過對光伏組件最大功率跟蹤控制策略的研究，提出了變步長微量電導法的控制策略，并進行仿真分析。證明了這種控制策略具有良好的穩態跟蹤和動態響應優點；該方法能快速響應環境變化，重新尋找新的最大功率點。基于變步長微量電導法控制策略和高性能TMS320F2812 DSP，設計了最大功率跟蹤控制器，它具有高可靠、高抗噪、高集成、低功耗和設計簡單等優點。這種控制器具有很好的應用前景，此外，這種控制策略對其它類型的電能變換控制具有一定的參考意義。

[1]閔江威.光伏發電系統的最大功率點跟蹤控制技術研究[D].武漢：華中科技大學，2006.

[2]邱關源，羅先覺.電路[M].5版.北京：高等教育出版社，2007：97-99.

[3]LIU F R，DUAN S X，LIU F，et al.A variable step size inc mppt method for PV systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(7)：2622-2628.

[4]JIANG Y C，QAHOUQ J A A，HASKEW T A.Adaptive step size with adaptive-perturbation-frequency digital MPPT controller for a single-sensor photovoltaic solar system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(7)：3195-3205.

[5]孫麗明.TMS320F2812原理及其C語言程序開發[M].北京：清華大學出版社,2008：1-12.

[6]李立偉，劉斌，段雄英.智能型蓄電池恒流放電裝置的研制[J].儀表技術與傳感器，2006(12)：60-62.

Design of maximum power point tracking controller for PV generation system

LI Ji-chuan,WANG Ruo-xing,HUO Fu-qiang

The output characteristics of PV and the advantages and disadvantages of the traditional maximum power point tracking methods were analyzed, and the variable step size incremental conductance algorithm was put forward.Based on the Matlab/Simulink and the BUCK DC/DC convert,the simulation experiment was taken out,and the simulation results of the traditional and variable step size incremental conductance algorithm were analyzed.The simulation results show when the light intensity and temperature change,the method can quickly and accurately track the maximum output power of PV module.Based on the TMS320F2812 DSP,the maximum power point tracking controller circuit was designed.

PV module;maximum power point tracking;variable step size incremental conductance algorithm

TM 914

A

1002-087 X(2015)04-0807-03

2014-09-02

李繼川(1972—)，男，山東省人，工程師，碩士，主要研究方向為電力系統及繼電保護。