光伏陣列GMPPT控制器的設計及實現

廉小親， 葉曉劍， 趙 瑾， 張曉力， 段振剛(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京100048)

光伏陣列GMPPT控制器的設計及實現

廉小親， 葉曉劍， 趙 瑾， 張曉力， 段振剛
(北京工商大學計算機與信息工程學院，北京100048)

在實際工程應用中存在光伏陣列局部遮陰或光照不均等現象，導致系統輸出的P-V特性曲線出現多個峰值點。為實現光伏陣列最大輸出功率點的實時有效追蹤，基于自適應粒子群優化(APSO)算法設計出了一種光伏陣列全局最大功率點追蹤(GMPPT)控制器。簡要介紹了APSO算法在控制器中的應用方法，闡述了控制器的總體設計方案及硬件電路設計，并給出了測試結果。測試結果表明：該控制器能夠有效、快速、準確地追蹤到光伏發電系統的全局最大功率點，具有一定的工程應用價值。

光伏發電系統；局部遮陰；GMPPT控制器；DSP

隨著全球能源危機和大氣污染問題日益突出，可再生能源逐步得到應用。在可再生能源中，太陽能以其分布廣泛、無污染、安全可靠等優勢成為各國重視的焦點。目前，光伏發電是人類利用太陽能的主要方式。在溫度和日照強度一定的情況下，光伏發電系統P-V特性曲線呈單峰性有唯一的最大功率點，但實際工程應用中，不可避免地存在光伏陣列局部遮陰或光照不均等現象，此時系統的輸出P-V特性曲線會出現多個峰值點[1]。為提高太陽能的能量轉換效率，必須對光伏陣列的輸出功率進行實時有效的追蹤。本文結合自適應粒子群優化(APSO)算法設計出了一款基于DSP的光伏陣列全局最大功率點追蹤(GMPPT)控制器，并對其進行了性能測試。

1 控制器的總體設計方案

控制器作為連接光伏陣列和負載的中間環節，必須能準確獲得光伏陣列的輸出功率、運行控制算法以及產生控制信號。所以，本GMPPT控制器系統主要由功率采集環節、控制核心和功率控制環節三個部分組成。設計時，采用DSP作為控制

圖1　　控制器總體結構框圖

光伏系統工作時，首先通過電壓、電流采集模塊實時采集光伏陣列的輸出電壓和電流，并利用信號處理模塊將采集到的模擬信號轉換到能夠被DSP的AD模塊識別的范圍內。然后由控制核心根據光伏陣列輸出電壓和電流的采集值計算出相應的輸出功率，同時運行APSO算法控制DSP產生PWM驅動信號，進而調節BOOST轉換電路中功率開關管的導通時間，實現負載阻抗和光伏電池內阻等值匹配，使光伏陣列輸出的功率最大。

2 控制算法

本控制器采用適合多峰尋優的APSO算法作為控制算法，該算法的基本思想是基于粒子的群體迭代，能克服PSO算法固定參數的不足，根據群體自適應地調整慣性因子。APSO基本數學表示[2-3]略。

(1)實際應用中APSO算法表示及基本原理

在APSO算法實際應用中，光伏陣列的功率函數定義為APSO算法的目標函數。因為每次改變控制脈沖波(PWM)的占空比之后，光伏陣列輸出的電壓和電流都會隨之改變，所以控制器輸出PWM的占空比定義為粒子的位置，占空比的變化量定義為粒子的速度。應用時，APSO算法的表達式如下：設搜索空間為d維，總粒子數m，第i個粒子在k次迭代后的位置、速度分別為Dutyik、Δdutyik，其中：i=1,…,m。設Pik為第i個粒子在迭代k次后的最優位置，Pgk為所有粒子在迭代k次后的全局最優位置。

第i個粒子的速度和位置按如下公式變化：

式中：ω為慣性因子；c1、c2為加速度系數；r1、r2為兩個相互獨立的U(0,1)隨機函數。

每個粒子的位置極值點：

全局最優功率點：

式中：f(·)為目標函數。

粒子群初始位置和速度隨機產生，然后按式(1)～式(4)進行迭代，直至找到最優解為止。APSO算法流程見圖2。

圖2　APSO算法流程

APSO算法在控制器上開始運行時，會先對粒子位置進行初始化。考慮到追蹤的時效性，初始化時粒子的個數不能選取太多。初始化結束以后，粒子群將進行第一次迭代，在迭代過程中，不斷更新粒子的極值和全局最大值。迭代完成后，系統會判斷所有粒子是否已經收斂。倘若尚未收斂，控制器將對粒子參數進行調整，并更新粒子位置，為下一次迭代做準備。如果已經收斂，說明系統此刻有最大輸出功率，算法執行完畢。

(2)實際應用中APSO算法參數調整思路

APSO算法移植到GMPPT控制器上時，參數調整策略需要根據GMPPT控制器的實際運行環境進行修改。算法中參數w是影響APSO算法收斂效果的關鍵因素，應根據算法的進化狀態進行自適應調整，w應隨著迭代次數的增加而逐漸減小。這樣就可以使占空比由大范圍逐步向小范圍變化，同時粒子的位置也逐漸向最優位置方向靠近。

w的迭代公式調整為：

式中：k為迭代次數；α為衰減常數，其值需要通過實驗測試進行調整，在本系統中將α設置為10。

(3)APSO算法調用的條件

由于發電系統中，光照強度會不斷發生變化，為保證系統輸出功率一直最大，還需定時(本設計采用5 s的定時間隔)檢測光伏系統的輸出特性是否發生改變。在定時器中斷函數中，對此刻最優功率點對應的占空比進行加大一個步長和減小一個步長處理(本設計中步長取5％)，并分別計算出處理后的占空比對應的輸出功率，然后通過計算調整后的兩點與當前全局最優點之間的斜率，來判斷光伏輸出特性是否改變。如果改變，則APSO算法會被DSP控制器調用；如果未變，控制器將控制脈沖波維持在最優占空比的位置。系統按照這種模式持續工作下去，保證光伏陣列輸出的功率一直是全局最大功率，這樣就可以實現光伏陣列最大功率點的實時追蹤。

3 系統的硬件設計

3.1DSP控制核心

DSP控制核心采用TI公司的DSP芯片TMS320F28027，其自身不僅集成了DSP指令集、支持浮點運算，同時還含有豐富的片上外設(包括ADC、ePWM、定時器等)，這些特點使其不僅具有DSP的數字信號處理能力，還具有MCU的控制能力，能夠滿足系統設計需要。

3.2功率采集環節

功率采集環節主要由霍爾傳感器電路和信號處理電路組成。其中霍爾傳感器電路完成光伏系統輸出電壓、電流的采集；信號處理電路負責對采集到的電壓、電流進行濾波、放大以及電壓跟隨處理，使其轉換到可以被DSP的AD模塊識別的范圍內，以便后期DSP對輸出功率進行分析計算。

3.3功率控制環節

作為追蹤器的重要組成部分，GMPPT控制器的功率控制環節主要由DC-DC轉換電路、驅動隔離電路、電磁干擾(EMI)抑制電路和過流過壓保護電路組成。

3.3.1DC-DC轉換電路

DC-DC轉換電路的作用是通過控制電子器件的通斷，將直流電壓斷續地作用到負載上，以改變占空比的方式改變輸出電壓值，把某一幅值的直流電壓改變為所需要的幅值[4]。本控制系統選取BOOST電路作為系統的控制環節，其原理如圖3所示。

圖3　BOOST電路原理

當BOOST電路導通時，輸入電源即光伏電池給升壓電感充電，此時濾波電容對負載進行放電；當BOOST電路斷開時，光伏電池與升壓電感共同給濾波電容充電。理想情況下，BOOST電路的升壓原理如式(6)所示：

式中：α為控制BOOST電路中開關管的PWM的占空比；U0為負載端電壓；E為光伏電池板電源電壓。

根據能量守恒定理，可推導出式(7)：

式中：i0為負載端電流；iL為電源端電流。

由式(7)可以看出BOOST電路通過調節IGBT開關管的導通與關斷的時間即占空比，就可以將一種等效阻抗變換成另一種等效阻抗，使得與光伏電池阻抗相匹配，實現最大功率跟蹤，這就是光伏最大功率點追蹤的理論依據。

為避免BOOST電路產生噪聲以及過大的能量損耗，設計時著重考慮了DC-DC BOOST電路的開關頻率和轉換效率。選取型號為FGA15N120AND的IGBT作為DC-DC BOOST電路的開關管，該IGBT的CE端電壓可高達1 200 V，最大導通電壓為±20 V，最大允許電流為15 A。同時選取快速二極管作為DC-DC BOOST電路中的二極管，快速二極管的型號為FFP15S60S，最大通過電流為15 A，其反向承受電壓為600 V，導通時間小于35 ns，完全能夠滿足設計需要。DC-DC BOOST電路如圖4所示。

圖4　DC-DC BOOST電路

3.3.2EMI抑制電路

在GMMPT控制電路中，控制系統容易向外界輸出EMI，影響系統工作。為此，需要在DC-DC BOOST電路的輸入端添加由共模電感和電容組成的濾波電路。共模電容主要用于抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射。共模電感是一個雙向濾波器，一方面用于濾除信號線上共模電磁干擾；另一方面還可以抑制本身不向外發出電磁干擾，避免影響同一電磁環境下其他電子設備的正常工作。應用時只要將共模電感的兩端分別連接一個由濾波電容組成的低通濾波器，就可將線路上的共模電磁干擾信號控制在很低的電平上。這部分電路如圖5所示。

圖5　抑制電磁干擾(EMI)電路

3.3.3過流過壓保護電路

為保護整個控制系統的安全，防止應用過程中出現過流或者過壓情況對系統造成損害，設計時在系統的輸入級加入了繼電保護裝置，并根據實際應用情況設置系統的輸入電壓和電流的閾值分別為120 V和10 A。工作時，直接利用采集環節作為閾值檢測電路，通過霍爾電壓電流傳感器實時檢測系統的輸入電壓和電流。一旦系統的輸入電壓或者電流大于對應的閾值，DSP控制核心就會切斷電路，進而保護整個控制系統。過流過壓保護電路如圖6所示。

圖6　過流過壓保護電路

3.3.4驅動隔離電路

由于DSP控制核心的I/O輸出信號較小，無法正常驅動DC-DC BOOST電路中的IGBT開關管，而且在控制電路中，過大的電壓、電流以及高頻諧波也會對控制芯片產生嚴重的干擾，使測量精度嚴重下降，所以在本系統中，光耦不僅要起到光電隔離的作用還要能夠驅動IGBT開關管。經對比分析，選取的光耦型號為FOD3120，該光耦不僅具有高強度的噪聲免疫功能、IGBT柵極驅動能力，還具有快速的開關速度。這樣，僅通過一片FOD3120光耦芯片就可以實現驅動IGBT開關管和電路隔離的功能，大大地簡化了電路設計，驅動隔離電路見圖7。

4 實驗結果與分析

圖7　光耦隔離電路

為檢驗所設計的控制器性能，本文對整個光伏陣列GMPPT控制系統進行了測試。測試時，利用安捷倫E4360A太陽能仿真電源模擬光伏陣列輸出。圖8和圖9是根據該仿真電源的AD采集卡采集到的數據繪制出的P-t圖和V-t圖。

圖8　APSO算法的P-t響應時間

圖9　APSO算法的V-t響應時間

從圖8的P-t曲線可以看出，粒子群在4.3 s位置開始初始化，此時隨著粒子位置的不斷調整，仿真電源的輸出功率呈現很大的波動，直到5.6 s時粒子群初始化結束；然后開始迭代，在8.0 s時迭代結束，此時粒子群收斂。整個APSO算法從啟動到收斂經過了3次迭代，僅耗時3.7 s。

為了更清楚地觀察整個追蹤過程中粒子群的位置變化，再利用安捷倫MSO6012A混合信號數字示波器檢測輸入DC-DC BOOST電路的控制脈沖波的占空比和頻率，同時利用安捷倫34410A數字萬用表測試負載兩端的電流、電壓值。測量結果見表1，表1中的功率值和電壓值分別與圖8、圖9中的功率值和電壓值相對應。

?????????????????????? ???? 　??/V ??/A ??/W ???/％ ????/W 0 ( ? ? ? ? ) 　3 .7 7 9 2 　1 . 4 9 1 8 　5 . 6 3 7 8 　9 1 . 0 　? 1 　8 5 .5 3 8 1 　0 . 6 7 0 9 　5 7 .3 8 7 5 　1 0 . 2 　5 1 . 7 4 9 7 2 　8 4 .6 3 5 1 　0 . 6 8 1 0 　5 7 .6 3 6 5 　1 0 . 6 　0 .2 4 9 0 3 　8 3 .7 2 7 9 　0 . 6 9 0 5 　5 7 .8 1 4 1 　1 1 . 0 　0 .1 7 8 0 ?

從表1中可以看出利用該控制器對光伏發電系統進行最大功率點追蹤后，追蹤到的最大功率點為57.814 1 W，而此時安捷倫E4360A仿真電源給出的實際最大功率點功率為58.183 W，精度高達99.3％。從上面的測試結果可以看出本文所設計的光伏GMPPT控制器完全能夠在多峰情況下快速、精確地追蹤到最大功率點，使系統穩定工作在輸出功率最大點處，滿足設計要求。

5 結論

針對傳統的最大功率點追蹤算法無法在有遮擋情況下對光伏陣列的最大輸出功率進行有效的追蹤，本文在APSO算法的基礎上研制出了以DSP TMS320F28027芯片為控制核心的光伏GMPPT控制器。測試結果表明該設計能夠在多峰情況下快速、精確地對最大功率點進行追蹤，滿足并且實現了設計要求。但由于實驗室條件有限，一些強電的測試實驗還沒有完成，如何在大功率條件下實現光伏控制系統的優化控制今后還將進一步研究。

[1]廉小親，張曉力，王嵩，等.光伏系統在部分遮擋條件下的GMPPT算法研究[J].電源技術，2012，36(10)：1470-1473.

[2]黃婉平.自適應粒子群優化算法及其應用研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[3]韓江洪，李正榮，魏振春.一種自適應粒子群優化算法及其仿真研究[J].系統仿真學報，2006，18(10)：2969-2971.

[4]喬增平，李宏，崔立國，等.基于極值搜索的光伏電池最大功率點跟蹤仿真[J].計算機測量與控制，2009，17(2)：402-404.

Design and implementation of photovoltaic array GMPPT controller

LIAN Xiao-qin,YE Xiao-jian,ZHAO Jin,ZHANG Xiao-li,DUAN Zhen-gang
(College of Computer＆amp;Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Photovoltaic array partial shade and uneven illumination phenomenon were existed in the practical engineering application,which caused the P-V characteristic output curve of the system output multiple peaks.In order to track photovoltaic array maximum power output point effectively,a photovoltaic array global maximum power point tracking(GMPPT)controller was designed based on APSO algorithm.A brief description of the application of APSO algorithm was given in the controller,and the design of overall system and hardware implementation were given as well.Test results show that the tracker can work accurately and quickly to trace the global maximum power point under complex condition and has certain engineering application value.

photovoltaic power generation system;partially shaded;GMPPT controller;DSP

TM 615

A

1002-087 X(2016)01-0131-04

2015-06-12

北京市教委科技創新平臺(PXM2011-014213-113551)；北京市教委科技發展計劃面上項目(KM201110011005)

廉小親(1967—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向為計算機測控技術。核心，APSO算法作為控制算法，電壓、電流采集模塊和信號處理模塊作為功率采集環節，驅動隔離電路、DC-DC BOOST升壓電路等作為功率控制環節。控制器的總體結構框圖如圖1所示。