控制算法的研究和控制器的設(shè)計

尤麗萍

摘要：本文對幾種常用的最大功率跟蹤控制算法進行比較，分析其優(yōu)缺點，在擾動觀察算法的基礎(chǔ)上，提出了“變步長”擾動觀察法改進算法，避免最大功率點的“誤判”。并設(shè)計制作了最大功率點跟蹤控制器的硬件電路，實現(xiàn)跟蹤控制太陽能電池的最大功率點。通過最大功率跟蹤控制實驗，結(jié)果說明該系統(tǒng)可以有效地提高響應(yīng)速度和跟蹤精度，提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

關(guān)鍵詞：最大功率跟蹤控制； 導(dǎo)納增量法； 擾動觀察法

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2014）04-0028-04

Abstract：This paper compares some common maximum power point tracking algorithms， and analyzes their advantages and disadvantages. On the basis of Perturbation and Observation method， an improved way--Variable-step Algorithm is presented， to avoid misjudging the maximum power point. After that， the hardware circuit of maximum power point tracking controller is also designed and realized. By this experiment， its proved that this system would improve response speed and tracking accuracy effectively， furtherly would improve the work efficiency of solar photovoltaic power generation system.

Key words：Maximum Power Tracking Control； Incremental Conductance Method； Perturbation and Observation Method

0引言

進入二十一世紀(jì)后，開發(fā)和利用太陽能光伏技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界能源工業(yè)的發(fā)展方向。太陽能光伏發(fā)電就是利用太陽能電池將太陽輻射產(chǎn)生的熱能進行有效吸收后，再經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電過程，而且正因其呈現(xiàn)的巨大潛力發(fā)展空間，即使得光伏產(chǎn)業(yè)在世界各國都已得到了迅猛的發(fā)展。但是，太陽能電池的利用效率還是較低，而為了解決這一關(guān)鍵問題，最重要的就是實現(xiàn)太陽能電池最大功率點的跟蹤控制。太陽能電池的最大功率點跟蹤控制則是為了充分利用太陽能，并使太陽能電池始終輸出最大電功率的控制技術(shù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的太陽能電池就可直接將太陽能轉(zhuǎn)變成電能。一般情況下，太陽能電池的輸出由多種因素決定，如日照情況、環(huán)境溫度等。通常在不同的環(huán)境中，太陽能電池的輸出曲線也是不同的，但每條輸出電壓曲線都存在一個最大功率點，這個功率點將對應(yīng)唯一的電池輸出電壓，因此，若想盡可能最優(yōu)地利用太陽能，就要通過其跟蹤控制器來實時測試太陽能電池的輸出功率Po，不斷改變其工作點，直至太陽能電池的輸出功率Po能夠達(dá)到最大值，這個過程即稱為最大功率點跟蹤控制（簡稱MPPT） [1]。

1MPPT軟件算法設(shè)計

1.1幾種常用最大功率點跟蹤控制方法的比較

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高最大功率跟蹤控制的速度和精度，數(shù)目眾多的最大功率跟蹤控制方法應(yīng)運而生。更為常見的有恒壓跟蹤法、實際測量法、導(dǎo)納增量法、擾動觀察法等[2]，現(xiàn)將這幾種常用最大功率跟蹤控制方法的優(yōu)缺點作一比較，具體如表1所示。

1.2“變步長”擾動觀察法改進算法

如表1所述，擾動觀察法算法簡單，且容易實現(xiàn)。但是當(dāng)系統(tǒng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點，或是已經(jīng)跟蹤到最大功率點附近，如果擾動步長太長，或是擾動還在繼續(xù)，就有可能錯過最大功率點，隨之將損失部分功率；而當(dāng)光照強度和環(huán)境溫度急劇變化時，跟蹤控制器也容易出現(xiàn)誤判；另外，跟蹤控制的速度和精度還與初始狀態(tài)和擾動步長的設(shè)定有較大的關(guān)系。

使其穩(wěn)定在最大功率點以實現(xiàn)最佳工作?？赡苤?，如果功率值減小了，則反方向擾動，而且功率值變化幅度若是較大，則相應(yīng)地加大擾動的步長；功率值變化幅度若是很小，則相應(yīng)地減小擾動的步長，亦穩(wěn)定在最大功率點以實現(xiàn)最佳工作。綜上所述，即如此不斷地對太陽能電池的工作點進行擾動，從而獲得最大功率輸出?！白儾介L”擾動觀察法的改進算法工作流程則如圖1所示。

2MPPT控制器設(shè)計

MPPT控制器主電路原理圖如圖2所示，該電路采用的是STC12C5A60S2的8位可編程的微控制器，由電壓檢測電路、開關(guān)管驅(qū)動電路、升降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路、電源穩(wěn)壓變換電路及顯示輸出電路等幾個部分組成。

由圖2可知，現(xiàn)對其中主要單元的實現(xiàn)功能可逐一展開分析如下：

（1）STC12C5A60S2主控制器。是單片機電路中應(yīng)用較為廣泛的集成電路，帶有串口，可直接下載程序，也可隨時擦除。其中內(nèi)置8K字節(jié)的FLASH ROM，512K字節(jié)的RAM，還有4組8位的I/O口，使用方便，功耗小，并且不易損壞。

（2）電壓檢測電路。主要是用來檢測太陽能電池陣列的輸出電壓，以及檢測升降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸入輸出電壓，同時也包括檢測蓄電池的輸出電壓，而且可將檢測得到的數(shù)據(jù)，在經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后，輸送到STC12C5A60S2主控制器中。

（3）開關(guān)管驅(qū)動電路。這里采用的是MOS型功率管，主要是因為該型功率管具有低功耗、管壓降低、電荷儲能效應(yīng)小等特點。STC12C5A60S2輸出PWM信號控制開關(guān)管V1、V2的通斷，若是蓄電池端電壓大于其上限額定電壓，則斷開V1管，停止充電；只有當(dāng)蓄電池端電壓小于其上限額定電壓時，V1管才導(dǎo)通，并繼續(xù)給蓄電池充電。若是蓄電池端電壓小于其下限額定電壓，將斷開V2管，且停止放電；而只有當(dāng)蓄電池端電壓大于其下限額定電壓時，V2管才導(dǎo)通，又繼續(xù)放電供負(fù)載使用。通過控制開關(guān)管V1、V2的通斷，可有效地防止過充及過放，同時延長蓄電池的實際使用壽命。

（4）升降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換電路。通過調(diào)節(jié)其內(nèi)部電路開關(guān)管的通斷時間來調(diào)節(jié)占空比的大小，改變輸出直流電壓的幅值，并實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制。

（5）電源穩(wěn)壓變換電路。LM317三端穩(wěn)壓器的輸出電壓是1.25V，通過改變可調(diào)電阻RP的大小，可以得到適合系統(tǒng)供電的直流電壓。

3MPPT控制方法的實現(xiàn)和測試結(jié)果

3.1MPPT控制方法的實現(xiàn)

本次測試所使用的KNT-SPV01光伏發(fā)電系統(tǒng)是由南京康尼科技實業(yè)有限公司設(shè)計生產(chǎn)的，該系統(tǒng)主要由4塊太陽能電池板組件、2盞300W投射燈、水平和俯仰運動機構(gòu)、直流電動機、蓄電池、母線單元、按鈕單元、電源組件及若干支架組成。其中的2盞300W投射燈的投射傾斜角度和投射功率均是可以調(diào)節(jié)的，主要用于模擬晨日、午日、晚日的太陽光。KNT-SPV01光伏發(fā)電系統(tǒng)可如圖3所示。

3.2MPPT實驗波形及分析

為了進一步驗證運用擾動觀察法改進算法對于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤控制的速度和精度所具有的明確作用，本文進行了一個對比實驗。在環(huán)境溫度固定為15℃不變時，將光伏發(fā)電系統(tǒng)與MPPT控制器相連接，分別測試采用常規(guī)擾動觀察法和本文提出的擾動觀察法改進算法時太陽能電池陣列的輸出電壓、輸出電流；以及測試當(dāng)光照強度變化時，太陽能電池陣列重新跟蹤到最大功率點所需要的時間，將其稱為響應(yīng)時間。實驗測試結(jié)果如圖4～圖7所示，圖中橫坐標(biāo)為時間T（0.5s/格），縱坐標(biāo)中CH1通道為輸出電壓Uo（22V/格），CH2通道為輸出電流Io（1.2A/格），CH1和CH2乘積為輸出功率Po（27W/格）。

從圖4和圖5中輸出功率曲線對比可知，采用擾動觀察法改進算法跟蹤到最大功率點后，輸出功率振動較小，說明采用擾動觀察法改進算法在一定程度上可提高跟蹤精度，而且從圖6和圖7中輸出功率曲線的對比中也可得到更進一步的驗證。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制器硬件電路，詳細(xì)分析了幾種常用的最大功率點跟蹤控制算法的優(yōu)缺點，在此基礎(chǔ)上則提出了“變步長”擾動觀察法的改進算法，并與南京康尼科技實業(yè)有限公司設(shè)計生產(chǎn)的太陽能光伏發(fā)電實驗測試平臺相連接，構(gòu)成了實體獨立的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。通過實驗測試結(jié)果說明安裝的最大功率點跟蹤控制器，可以提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制的速度和精度，而且更相應(yīng)地提升了其工作效率，勢將具有良好的實用價值和現(xiàn)實意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]歐陽名三，余世杰，沈玉梁，等.具有最大功率點跟蹤功能的戶用光伏充電系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2003，19（6）：272-275.

[2]NOGUCHI T， TOGASHI S，NAKAMOTO R. Short—current pulse-based maximum—power-point tracking method for multiple photovoltaic-and-converter module system [J].IEEE Trans on Industrial Electronics，aerospace and Electronic，2002，49（1）：217-223.

[3]王銀杰.風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤及儲能控制策略研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2013.