基于DSP的改進擾動觀察法光伏MPPT實現*

吳中山

(南京理工大學 自動化學院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

光伏電池在應用中的轉換效率較低且價格昂貴，目前應用較普遍的光伏電池轉換效率約為10 %～20 %[1]。如果考慮后級逆變器轉換效率，那么整個光伏系統的利用效率將會更低。因此，如何充分利用光伏電池，成為了光伏的最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)解決的問題。國內外關于光伏MPPT的研究較多：研究光伏電池參數估計、研究擾動觀察法的改進、結合智能算法的MPPT等，但大多都停留在仿真階段，實現并實驗驗證并不多。

由于常規擾動觀察(perturbation and observation，P&O)法步長固定，存在動態跟蹤速度快和穩態跟蹤準確度高的矛盾[2]。對此，本文采用歸一化思想利用反正切函數提出一種變步長策略。設計了一種光伏MPPT系統并進行了實驗，實驗結果顯示：提出的方法能夠提高光伏電池的利用率，驗證了系統的可行性。

1 光伏電池數學模型

不同環境光伏電池的I-U近似特性表達式為[3]

(1)

式中C1,C2為常量參數，與標準條件下的短路電流、開路電壓、最大功率點電流、最大功率點電壓有關；ISC,UOC分別為標準條件下的短路電流、開路電壓；ΔU,ΔI為不同環境下的修正量，與光照強度和溫度有關。

2 MPPT原理及擾動觀察法的改進

2.1 MPPT電路原理

MPPT電路原理是[4]:當負載電阻值與電源內阻值相等時，負載上得到最大功率。但負載電阻值很難改變，且光伏電池的輸出特性表現為強非線性，即內阻值變化。可在中間加入一級直流轉直流(direct current to direct current,DC-DC)變換器，如圖1，此時等效負載電阻值為R'L，R'L與DC-DC的占空比有關，通過控制占空比改變等效電阻值，使其逼近電源內阻值，獲最大功率。

圖1 含DC-DC的電路

2.2 歸一化變步長擾動觀察法

圖2(a)為固定步長擾動觀察法[5]標準條件下功率曲線。注意到光伏電池功率曲線具有單峰特點，ΔP/ΔU與占空比的改變方向相同，當位于最大功率點左邊時符號為正，位于最大功率點右邊時符號為負。則本文占空比增量策略為

ΔD=A·2/π·arctan(ΔP/ΔU)

(2)

式中A為步長最大值,ΔP=P(i)-P(i-1),ΔU=U(i)-U(i-1)。

運用歸一化思想，借助反正切函數將占空比增量的值域歸一化到[-A,A]。運行過程中步長將在-A到A之間變化，不再是固定值，同時也限制了步長最大值為A。運用Simulink中S函數進行仿真該策略，A值與圖2 (a)的固定步長值相等，得標準條件下圖2(b)曲線，可以看出：改進算法能快速跟蹤到最大功率點，穩態后基本未出現振蕩。

圖2 擾動觀察法改進前后對比

3 系統實現

3.1 控制系統總體結構

為了能夠實現最大功率的輸出，數字信號處理器(digital signal processor,DSP)必須不斷地對光伏陣列輸出的電壓電流進行采樣，送入軟件控制算法計算后改變輸出的PWM占空比，從而控制Boost轉換電路。同時，DSP將采集到的實時數據通過RS—232不斷發送給PC存儲，以便后期繪制曲線和分析，掌握最大功率點的跟蹤情況。本系統硬件電路主要由4個部分組成，DSP控制電路、驅動電路、采樣電路、Boost電路。整體結構如圖3所示。

圖3 MPPT控制系統框圖

3.2 硬件設計

3.2.1 Boost電路

Boost電路如圖4所示，利用電感儲存的能量和電源一起向負載供電，從而達到升壓的目的。電感、電容值為[6]

(3)

式中D為占空比；Um，Im為光伏電池標準條件下最大功率點電壓和電流；r為紋波系數；f為脈寬調制(pulse width modulation,PWM)的頻率。

圖4 Boost電路結構

本文Um=18 V，Im=2.2 A，r=5 %，f=20 kHz。又系統后期給24 V蓄電池充電，D=(24-18)/24=0.25。可得，Lmin=1 mH，Cmin=18 μF，取電感值2 mH，電容值27 μF。

功率開關管選擇IRFP250N，其導通延時為25 ns，關斷延時為60 ns，響應快，額定電壓達到200 V。二極管選擇MUR3020PT，其反向擊穿電壓能達到200 V。

3.2.2 驅動電路

驅動電路由帶隔離光耦HCPL—3120組成，帶載能力強，常用于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar translator,IGBT)的門級驅動。驅動電路原理如圖5所示。為了保證光耦有10 mA電流可靠導通，取R7=274 Ω,R9=10 Ω。

圖5 驅動電路

3.2.3 采樣電路

采樣電路如圖6，由霍爾電流傳感器(HBC—PS3.3)、電壓傳感器(HBV025A)和必要電路組成，用于測量光伏電池兩端輸出電壓電流，數據送入DSP處理。其中HBC—PS3.3的1引腳、HBV025A的3引腳接DSP的AD輸入引腳。

圖6 采樣電路

3.3 軟件設計

程序的流程如圖7所示，其中e為設置的一個閾值，為了避免接近最大功率后仍有振蕩。首先通過采樣電路檢測光伏陣列的輸出電壓電流，計算ΔP和ΔU；判斷ΔP的絕對值是否小于閾值e：若小于，則占空比不變；若大于，則按照式(2)計算占空比變化量，更新占空比。

圖7 程序流程

按照流程基于TMS320F28335進行代碼開發。

4 實 驗

環境參數：太陽光照強度641 W/m2，溫度為29 ℃，在短時間內視為不變。采用Bosin型號為BX—F40W太陽能板，標準條件下參數為：UOC=22 V，ISC=2.37 A，Um=18 V，Im=2.2 A。負載為100 Ω的功率電阻器，采樣周期約為100 ms。

實驗得到2組數據，截取前面部分數據經過MATLAB繪制如圖8所示曲線,可以看出，采用了歸一化擾動觀察法的MPPT算法后太陽能板輸出了更多的功率，功率輸出約13.5 W，而將環境參數和太陽能板參數代入模型，可得到最大功率應該在14.5 W左右。其中損失的1 W功率主要是由于電路中開關管和二極管等的損耗。最后穩定的功率值仍有不超過0.5 W波動，原因是太陽光照強度是連續變化的，在短時間內也不是恒定的，從而引起輸出功率的變化。

圖8 實驗數據曲線

5 結 論

本文研究了光伏電池MPPT的基本原理，在擾動觀察法基礎上提出了歸一化變步長策略。設計并實現了基于TMS320F28335的光伏MPPT系統。實驗結果驗證了系統的可行性。本文為光伏MPPT系統的實現提供了一種方案。