適用于光伏車輛的最大功率跟蹤技術(shù)

杜晨琛， 劉 暢， 梁永春

(河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 石家莊 050000)

0 引 言

隨著電動(dòng)交通工具的長足發(fā)展，緩解了能源短缺與環(huán)境污染等問題，而其自身的不足也暴露出來，例如由于蓄電池容量有限造成的續(xù)航里程較短，需頻繁對其電量進(jìn)行補(bǔ)充。加之電動(dòng)車輛充電不方便，一般的工頻電壓不能滿足條件，所以，外接可再生電源不僅可提高其續(xù)航里程，也可使其使用更加便捷。目前的可再生發(fā)電源主要有光伏、風(fēng)機(jī)發(fā)電等等。然而其受外界環(huán)境變化影響大，轉(zhuǎn)換效率低等特點(diǎn)也是亟待解決的問題。針對光伏系統(tǒng)的輸出特性提出的最大功率跟蹤技術(shù)，可有效提高光伏系統(tǒng)輸出功率，但傳統(tǒng)的跟蹤算法，如：恒壓法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(P&O)都存在尋優(yōu)精度差、速度慢等問題。本文針對上述問題，提出了一種新型的占空比擾動(dòng)算法，利用功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快的stm32作為控制芯片，并結(jié)合同步整流Boost電路，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立光伏最大功率跟蹤系統(tǒng)，通過驗(yàn)證，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97.97%[1-2]。

1 設(shè)計(jì)理論

PV電池板是利用半導(dǎo)體PN結(jié)吸收光能所產(chǎn)生的光生伏打效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的，其等效電路與由圖1所示的二極管電路極為相似，故可用該二極管電路進(jìn)行描述。其中Iph為光生電流，ID為流過二極管的電流，Cj為PN結(jié)結(jié)電容，Ish為PV板漏電流，Ipv與Upv為PV板輸出電流、電壓，Rsh與Rs分別為其串聯(lián)、并聯(lián)等效電阻。

圖1 光伏電池板等效電路圖

由PV板等效電路及PN結(jié)特性方程可將其輸出伏安關(guān)系以下式的形式表示出來，

其中:Is為PN結(jié)反向漏電流;q為電子電荷量;K為玻爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度。

由上式可知，PV板的輸出伏安方程為非線性超越方程，其伏安特性曲線也為非線性曲線，如圖2所示。但只要在恒定的溫度和光照條件下，其輸出特性曲線中存在唯一的最大功率點(diǎn)P，PV板在這一點(diǎn)工作效率最高。而使PV板實(shí)時(shí)工作在P的技術(shù)就是最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)[3]。

圖2 PV板U-I、 U-P特性曲線圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

如圖3所示，系統(tǒng)由PV板、采樣電路，Boost同步整流電路、Stm32控制器、負(fù)載組成。PV板輸出經(jīng)由采樣電路，采集到的電壓、電流信號通過AD轉(zhuǎn)換，送入控制器，控制器通過MPPT算法對Boost同步整流電路比進(jìn)行PWM調(diào)制，使其與負(fù)載所形成的等效阻抗與PV板內(nèi)阻相匹配，從而使PV板工作在P。

圖3 MPPT系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 同步整流Boost電路

同步整流技術(shù)是指以極低通態(tài)電阻的MOSFET代替整流二極管，以降低整流損耗，從而提高DC/DC電路的轉(zhuǎn)換效率的新技術(shù)。所謂同步是指整流MOSFET的柵極與源極電壓相位相同。由圖3的Boost電路可知，當(dāng)Q1閉合時(shí)，PV板與續(xù)流電感L形成閉合回路，電感由PV板儲(chǔ)能充電；Q1斷開時(shí)，Q2閉合，使得PV板與電感L同時(shí)給負(fù)載供電，達(dá)到升壓的目的。由上述理論可知，當(dāng)Q1閉合時(shí)，Q2斷開，以隔離負(fù)載；而Q1斷開時(shí)，Q2閉合，使PV板同電感L同時(shí)為負(fù)載供電。故Q1、Q2的柵極控制電壓相位應(yīng)相反[4]。

3 MPPT算法設(shè)計(jì)

3.1 算法主程序的設(shè)計(jì)

目前的MPPT算法包括：恒定(開路)電壓法、恒定(短路)電流法、擾動(dòng)觀察法(P&O)以及一些復(fù)雜算法，諸如粒子群MPPT算法等等。前兩種算法，并不是真正意義上的實(shí)時(shí)跟蹤，而是依據(jù)PV板在不同工況下的輸出特性曲線，將開路電壓和短路電流擬合為一固定值，其跟蹤誤差之大可想而知。針對多峰輸出的光伏列陣，采用粒子群算法能夠精準(zhǔn)尋優(yōu)不規(guī)則輸出特性曲線上的P，然而此類算法復(fù)雜程度之高，運(yùn)算速度之慢也極大的制約著光伏列陣的發(fā)電效率，并且其穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步考證。

目前市面上成熟的MPPT控制器大多都是選用P&O算法進(jìn)行尋優(yōu)控制的。然而傳統(tǒng)的P&O算法存在著尋優(yōu)步長固定、判斷語句條件復(fù)雜等缺點(diǎn)，這對上述問題，本文提出了一種改進(jìn)型P&O算法，以提高其尋優(yōu)效率[5]。

圖4為改進(jìn)型MPPT算法流程圖，算法初始化后，開始采集當(dāng)前時(shí)刻的PV板的輸出電壓U(k)、輸出電流I(k)，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的輸出功率P(k)，并與上一時(shí)刻的輸出功率P(k-1)進(jìn)行比較得到差值dp。對步長進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，判斷|dp|是否小于一特定值e，如果滿足該條件，則證明PV板的輸出功率在此時(shí)變化較小，系統(tǒng)較穩(wěn)定，可近似認(rèn)為追蹤完成。為了保證尋優(yōu)精度，參數(shù)e的值應(yīng)盡可能地小[6-10]。

圖4 改進(jìn)型MPPT算法流程圖

當(dāng)認(rèn)定追蹤尚未完成，則繼續(xù)判定功率差是否≥0，之所以判定條件中有判定是否等于零，若是，則證明尋優(yōu)方向不變；若否,則需要對尋優(yōu)方向進(jìn)行改變，該程序中設(shè)置了一個(gè)標(biāo)志參數(shù)m來區(qū)分尋優(yōu)方向，通過對m取相反數(shù)，來改變尋優(yōu)的方向，為了計(jì)算方便，m初值取1。當(dāng)方向確定了以后，對當(dāng)前占空比的值進(jìn)行修改，就可以達(dá)到尋優(yōu)的目的了。

3.2 適時(shí)步長修正

依照圖2中的PV板輸出U-P特性曲線圖可知，PV工作在臨近最大輸出點(diǎn)P比較好，但當(dāng)PV板工作在該點(diǎn)兩側(cè)，距離該點(diǎn)的遠(yuǎn)近不同，如果采用單一的尋優(yōu)步長，不僅會(huì)造成尋優(yōu)速度慢，還會(huì)造成嚴(yán)重的超調(diào)與震蕩。為了解決該問題，必須對步長進(jìn)行合理的實(shí)時(shí)修正，才能保證快速精準(zhǔn)尋優(yōu)。即遠(yuǎn)離P時(shí)采用較大步長尋優(yōu)，保證快速性；臨近P時(shí)，采用較小步長尋優(yōu)，減小超調(diào)，減弱震蕩，保證精確性。

該算法采用的步長修正系數(shù)如圖4第四行語句所示，α(k)代表改時(shí)刻修改后的步長,M為一恒定正整數(shù)，|dp|表示當(dāng)前功率差，該值越大，工作點(diǎn)距離P越遠(yuǎn)。所以M|dp|·α(k-1)中步長隨著工作點(diǎn)距離P遠(yuǎn)近而呈正比關(guān)系，即工作點(diǎn)距離P越遠(yuǎn)，步長越大;反之亦然。

該程序設(shè)計(jì)上引入了步長修正環(huán)節(jié)，有效地保證了尋優(yōu)的快速性和準(zhǔn)確性，對于在電動(dòng)車輛運(yùn)動(dòng)過程中復(fù)雜的外界環(huán)境下進(jìn)行MPPT優(yōu)勢明顯[11-14]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立

如圖5所示，依據(jù)以上所述的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案，搭建了一臺(tái)MPPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。首先借助PRAWA公司的光伏列陣模擬發(fā)生器及上位機(jī)軟件，對Uoc=21.24 V，Um=18 V，Isc=6.11 A，Im=5.55 A的PV板進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，通過上位機(jī)軟件反饋可知，該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)使PV輸出穩(wěn)定工作在P，且轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97.97%。與此同時(shí)利用示波器觀察stm32控制芯片為Q1，Q2兩個(gè)MOSFET提供PWM脈沖的波形，如圖7所示，兩組PWM脈沖為互補(bǔ)輸出，滿足了上述硬件需求[15]。

圖5 MPPT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖6 光伏列陣模擬器實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7 PWM互補(bǔ)輸出波形

4.2 測試結(jié)果分析

通過上述一些列模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)具有良好的可靠性，滿足硬軟件設(shè)計(jì)期望。如圖8所示，對相同條件下的實(shí)物PV板進(jìn)行檢測，得到了一系列相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在正常天氣從上午7:00～18:00的測試結(jié)果，測試分兩組進(jìn)行，一組連接MPPT裝置；另一組直接輸出。從表中可知，連接MPPT裝置的PV板輸出功率遠(yuǎn)大于直接輸出的,并且合閘的同時(shí)觀察并記錄從初始功率達(dá)到最大功率的時(shí)間，發(fā)現(xiàn)尋優(yōu)速度基本控制在10 s之內(nèi)，大大縮短了尋優(yōu)時(shí)間[16-17]。

圖8 系統(tǒng)實(shí)測圖

時(shí)間Ppv/W有MPPT無MPPT達(dá)到MPP時(shí)間/s7:008:009:0010:0011:0012:0013:0014:0015:0016:0017:0018:0022.4528.7234.5345.9659.7378.3674.5268.9757.1846.9442.5233.1913.2117.9322.7927.4738.5849.5343.9237.1531.8626.5623.9119.334.34.85.27.27.58.67.77.46.65.34.74.1

5 結(jié) 語

本文通過改善P&O算法，實(shí)現(xiàn)了提高尋優(yōu)速度和改善尋優(yōu)精度的目的，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論猜想，適用于車輛運(yùn)動(dòng)中外部條件變化較快的情況下進(jìn)行MPPT。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] Nicola Femia, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo,etal. Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 2005,20(4) :963-973 .

[2] 胡雨亭，徐文城. 基于微控制器的光伏充放電控制器的設(shè)計(jì)[J]. 電氣自動(dòng)化. 2013,35(1)：35-38.

[3] Zheng Shi-cheng, Wang Liangyu. Research on charging control for battery in photovoltaic system[C]∥Industrial Electronics and Applica -tion.2011 : 2321-2325.

[4] 張 興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京：工業(yè)機(jī)械出版社，2012.

[5] 王燕云．局部陰影條件下光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化控制研究[D]．青島:青島大學(xué)，2014．

[6] 宋 力，項(xiàng) 安，魏山力，等. 基于功率預(yù)測的變步長MPPT算法的研究[J]. 機(jī)電一體化，2014,20(7):19-24.

[7] 張 林，郭前崗，周西峰. 一種新型光伏系統(tǒng)MPPT變步長滯環(huán)比較P&O法[J]. 電測與儀表，2014(2):27-31.

[8] ORTIZ-RIVERA E I，PENG F Z． Analytical model for a photovoltaic module using the electrical characteristics provided by the manufacturer data sheet[C]//IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference． Retire，Brazil：IEEE，2005：2087-2091.

[9] 栗秋華，周 林，劉 強(qiáng)，等． 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤新算法及其仿真[J]． 電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(7)：21-25.

[10] 張 超，何湘寧． 短路電流結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn) 跟蹤控制中的應(yīng)用[J]． 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(20)：98-102．

[11] ORTIZ-RIVERA E I． Maximum power point tracking using the optimal duty ratio for DC-DC converters and load matching in photovoltaic applications[C]//Twenty-third Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition． Austin，Texas：IEEE，2008：987-991.

[12] 喬興宏，吳必軍，鄧贊高，等 ．模糊/PID雙?？刂圃诠夥l(fā)電MPPT中應(yīng)用 [J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備 ，2008 ，28 (10) ：92-95．

[13] 王立志，宋 偉，汪徳洋，等．STM32的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電蓄電池充放電保護(hù)研究[J]. 單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，2016,16(2)：21-23．

[14] 王海龍，王維俊，張國平，等．基于STM32F103芯片的光伏充電控制器設(shè)計(jì) [J].微電機(jī)，2013，46(3)：54-57

[15] 黃 瑞，孫黎霞．基于占空比模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng) MPPT技術(shù) [J]．電子設(shè)計(jì)工程，2013，21(7)：101-104．

[16] 李春玲，石季英，武艷輝，等．模糊控制的擾動(dòng)觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用[J]．電氣傳動(dòng)，2013，43(2)：62-64．

[17] 董 婧．基于 MPPT 的光伏系統(tǒng)充電控制器的研究[D]．西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014．