基于Labview的模擬光伏MPPT研究

方波 陳政輯 唐健竣 段偉杰

摘? 要：根據(jù)光伏電池的物理數(shù)學(xué)模型，以及基于Boost變換器穩(wěn)態(tài)工作原理推導(dǎo)出來的光伏占空比擾動控制機理和擾動觀察法控制流程，采用電壓源串聯(lián)電阻替代光伏電池板，并采用STC15W4K32S4單片機作為主控單元通過編程實現(xiàn)模擬光伏MPPT爬山法控制策略，采用Labview對模擬光伏的電壓、電流的采樣，通過Labview圖形編程實現(xiàn)對模擬光伏系統(tǒng)工作狀態(tài)和MPPT控制策略實施效果的實時直觀呈現(xiàn)。實驗結(jié)果表明，利用Labview強大的數(shù)據(jù)采集、處理、圖形功能能夠方便地把復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)和控制策略的實施效果實時直觀地呈現(xiàn)出來，為光伏等系統(tǒng)的研究開發(fā)提供方便，對光伏控制器的研究設(shè)計具有實際意義。

關(guān)鍵詞：最大功率點跟蹤；占空比擾動；擾動觀察法；模擬光伏；Labview

中圖分類號：TM615 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）06-0053-04

Abstract： According to the physical and mathematical model of photovoltaic cell， the photovoltaic duty cycle perturbation control mechanism and control flow of perturbation observation method derived from the steady-state working principle of Boost converter， the photovoltaic panel is replaced by voltage source series resistance， and the STC15W4K32S4 single chip microcomputer is used as the main control unit to simulate photovoltaic MPPT mountain climbing control strategy by programming， and Labview is used to sample the voltage and current of simulated photovoltaic. The real-time visual presentation of the working state of the simulated photovoltaic system and the implementation effect of the MPPT control strategy is realized by Labview graphic programming. The experimental results show that using the powerful data acquisition， processing and graphics functions of Labview， it is convenient to present the implementation effect of complex system state and control strategy in real time and intuitively， which provides convenience for the research and development of photovoltaic systems， and has practical significance for the research and design of photovoltaic controller.

Keywords： maximum power point tracking （MPPT）; duty cycle perturbation; perturbation observation method; simulated photovoltaic; Labview

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用最大功率點跟蹤（MPPT）控制來提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。MPPT控制策略有恒定電壓、擾動觀察、電導(dǎo)增量、模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等處理方法及不同控制策略的結(jié)合[1-3]。MPPT本質(zhì)上是一個自動尋優(yōu)的過程，通過光伏電路變換器的工作狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)，從而改變光伏電池板的工作點，使光伏電池可以在任何負(fù)載擾動及溫度和太陽光輻射照度變化情況下的輸出功率總是趨近于光伏電池輸出的最大功率。由于這個尋優(yōu)過程是一個動態(tài)過程，而且光伏電池IV和PV特性的自變量均為光伏電池的電壓，因此，普通的示波器等常規(guī)儀器是無法將最大功率點跟蹤的過程直觀呈現(xiàn)出來的，也就無法直觀地將各種MPPT控制算法的跟蹤效果實時地動態(tài)呈現(xiàn)出來。Labview是一種圖形化編程語言的開發(fā)環(huán)境，操作簡便、功能強大，配合相應(yīng)的硬件能夠進行實時數(shù)據(jù)采集和輸出控制，并提供了直觀的用戶編程界面及用于顯示仿真結(jié)果的前面板，利用其可以方便地建立所需要的虛擬儀器[4]。本文基于 Labview 軟件技術(shù)，利用其強大的數(shù)據(jù)采集和虛擬儀器功能，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制進行研究，將最大功率點跟蹤的動態(tài)過程直觀呈現(xiàn)出來，為光伏發(fā)電MPPT控制算法的研究提供了方便。

1? 光伏電池、光伏組件、光伏陣列的物理結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型

1.1? 硅光伏電池

常用的硅光伏電池單元的等效電路如圖1所示。

圖1中，Iph為光生電流，Iph值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照度；ID為暗電流；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為旁路電阻。

根據(jù)圖1列出各變量方程式如下[5-6]

1.2? 光伏組件

光伏組件是由若干互相聯(lián)接的太陽電池組成，這些太陽電池被封裝成單一的、長期耐久的、穩(wěn)定的單元。封裝的目的是在苛刻環(huán)境中保護它們和其互聯(lián)線，防止太陽電池的機械損傷和防止水或者水蒸汽對電極的腐蝕。大多數(shù)晶體硅太陽電池組件是由透明的頂表面、膠質(zhì)密封材料、光伏電池片、背面層和外部框架組成，如圖2所示。在大多數(shù)組件中，頂表面是鋼化低鐵玻璃，膠質(zhì)密封材料是EVA，背面層是Tedlar。

為了達到相當(dāng)?shù)妮敵龉β屎碗妷海w硅PV組件是由若干個獨立的太陽電池串聯(lián)組成的，PV組件的電壓通常被選擇適合于12 V的蓄電池。在25 ℃，AM1.5條件下，一個硅太陽電池單體的電壓約為0.6 V。考慮到在溫度升高影響和蓄電池充電時要求達到15 V或者更高的充電電壓，大多數(shù)組件包含有36片串聯(lián)的太陽電池，如圖3所示。在標(biāo)準(zhǔn)實驗條件下，這樣的組件開路電壓大約21 V，并且在工作溫度最大工作點的工作電壓大約是16～18 V。

1.3? 光伏陣列

大型光伏陣列通常由若干光伏電池組件連接而成，設(shè)光伏陣列由NSZ個光伏組件（每個組件由NSC個電池單元串聯(lián)）串聯(lián)后再進行NP支路并聯(lián)構(gòu)成，并忽略光伏電池的分布效應(yīng)、光伏照射不均勻產(chǎn)生的溫度梯度、陰影遮擋部分電池引起的輸入太陽能減少及內(nèi)部損耗增大和部分電池被遮擋后串聯(lián)電池在恒流條件下較低電壓對輸出電壓的限制，則光伏陣列的輸出將滿足

U=NSZNSCU0 ，? ? ? ? ? ? ? （2）

I=NP I0 ，? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

P=NSZNSCNPP0 。 ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

則光伏陣列的輸出電壓U，I，P可建立如下隱函數(shù)關(guān)系

根據(jù)光伏電池的具體型號、光伏陣列串并聯(lián)個數(shù)、光照和溫度環(huán)境參量，代入溫度系數(shù)等參數(shù)，由式（5）即可描述任何光伏陣列的I-U和P-U特性[7]。

2? 光伏發(fā)電系統(tǒng)及其Labview監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電DC/DC變換器電路如圖4所示，DC/DC變換器采用Boost電路。

3? 基于擾動觀察法的光伏MPPT控制

本文采用固定步長的擾動觀察法進行MPPT控制，對于給定的Boost變換器，其P-U、D-U曲線如圖5所示[7]。

在圖5中，設(shè)由k-1到k時刻，測得光伏工作點由A運行到B點，即ΔP=Pk-Pk-1>0，ΔU=Uk-Uk-1>0，說明當(dāng)前工作點位于最大功率點左側(cè)，工作點應(yīng)向右側(cè)移動。由D-U曲線可知，工作點應(yīng)右移（由A′運行到B′），即需要減小占空比D。同理，可分析其他3種情況，由此導(dǎo)出基于占空比擾動的擾動觀察法的控制流程如圖6所示。

4? 模擬光伏特性的設(shè)計

為了簡單方便地對MPPT控制算法效果和動態(tài)過程進行直觀呈現(xiàn)，可采用模擬光伏特性進行實驗，即采用線性直流電源替代光伏電池進行近似特性模擬。線性電源結(jié)構(gòu)如圖7所示。則其端口上的電壓與電流之間的伏安特性為

功率特性為

伏安特性和功率特性曲線分別如圖8所示。

5? 光伏MPPT控制的實現(xiàn)

本文采用STC15W4K32S4單片機作為主控單元，通過編程實現(xiàn)光伏爬山法MPPT控制算法。

由圖4可知，本設(shè)計采用霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器對光伏電池輸出電壓和電流進行檢測，經(jīng)采樣電路進行調(diào)理后送入MCU進行A/D轉(zhuǎn)換。根據(jù)圖6所示的流程編寫MCU爬山法MPPT算法程序，MCU進行MPPT運行時產(chǎn)生PWM輸出，通過隔離驅(qū)動后控制Boost電路的開關(guān)管，從而實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制。主要硬件連接和MCU接口如圖9所示。

6? 模擬光伏系統(tǒng)的Labview虛擬儀器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

模擬光伏電源通過傳感器將采樣的輸出電壓和電流信號與Labview數(shù)據(jù)采集卡進行物理連接，根據(jù)模擬光伏電源的參數(shù)，編寫光伏監(jiān)測程序[4]。

首先，采用Labview DAQ Assistant 對模擬光伏電壓和電流進行通道設(shè)置，然后編程對數(shù)據(jù)采集卡所采集電壓和電流數(shù)據(jù)進行處理。同時設(shè)置模擬光伏電源的電壓電流特性曲線，根據(jù)實際采樣電路對電壓和電流的采樣系數(shù)，設(shè)置特性曲線的斜率參數(shù)和截距參數(shù)分別為-0.715和3.5。應(yīng)用Labview的XY圖曲線繪制功能和捆綁函數(shù)功能，將模擬光伏電源的電流-電壓特性、功率-電壓特性的理論曲線和實時工作點在顯示器上直觀呈現(xiàn)出來，以此來觀測光伏發(fā)電MPPT的動態(tài)跟蹤效果。實驗測試結(jié)果顯示，工作點無論處于峰值點左邊還是右邊，在MPPT控制算法的作用下最終都自動調(diào)整到峰值點處運行。

7? 結(jié)論

以光伏電池的物理數(shù)學(xué)模型和光伏系統(tǒng)Boost變換器占空比擾動控制機理為基礎(chǔ)，采用STC15W系列單片機作為主控單元設(shè)計了模擬光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制實驗電路，利用Labview強大的數(shù)據(jù)采集處理能力和虛擬儀器功能設(shè)計了光伏發(fā)電MPPT跟蹤控制的監(jiān)控系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，采用Labview平臺能夠方便地把復(fù)雜系統(tǒng)狀態(tài)和控制策略的實施效果實時直觀地呈現(xiàn)出來，為光伏等系統(tǒng)的研究開發(fā)提供了方便，對光伏控制器的研究設(shè)計具有實際意義。

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