光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器設(shè)計

李繼川， 王若醒， 霍富強(qiáng)

(許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制器設(shè)計

李繼川， 王若醒， 霍富強(qiáng)

(許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000)

分析了光伏組件輸出特性和傳統(tǒng)最大功率跟蹤方法優(yōu)缺點，提出了變步長微量電導(dǎo)法。在Matlab/Simulink中，基于BUCK DC/DC變流器進(jìn)行仿真實驗；對比分析傳統(tǒng)微量電導(dǎo)法和變步長微量電導(dǎo)法的仿真實驗；仿真結(jié)果表明，光照強(qiáng)度和溫度變化時，該方法能快速、準(zhǔn)確地跟蹤光伏組件輸出的最大功率。基于TMS320F2812 DSP設(shè)計了最大功率跟蹤控制器電路。

光伏組件；最大功率跟蹤；變步長微量電導(dǎo)法

目前，綠色可再生能源得到廣泛應(yīng)用，光伏發(fā)電以其獨特優(yōu)勢得到青睞。由于光伏組件輸出功率非常容易受光照強(qiáng)度和溫度等環(huán)境因素影響，為充分利用光伏組件輸出功率，必須使輸出功率始終保持最大[1]，即實時跟蹤光伏組件的最大功率，因此，對最大功率跟蹤的研究尤為必要。

最大功率跟蹤控制策略主要有擾動觀察法、微量電導(dǎo)法、滑模控制法及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法等。擾動觀察法控制簡單但只能振蕩在最大功率附近，微量電導(dǎo)法控制精確但運(yùn)算復(fù)雜，滑?？刂品ê蜕窠?jīng)元網(wǎng)絡(luò)法控制較為復(fù)雜。筆者提出了運(yùn)算簡單控制精確的變步長微量電導(dǎo)法，并在Matlab/Simulink中驗證了這種控制策略的正確性。基于這種控制策略和TMS320F2812 DSP設(shè)計了最大功率跟蹤控制器。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖1是光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)圖，光伏組件將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，通過DC/DC變流器將電能供給于負(fù)載，選用鉛酸蓄電池(VRLA)為負(fù)載，圖1虛框部分是最大功率跟蹤控制器，主要由DC/DC變流器和TMS320F2812 DSP組成。TMS320F2812 DSP輸出PWM波，通過驅(qū)動電路控制DC/DC變流器的輸出電壓，使光伏組件工作在最大功率處。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 最大功率跟蹤控制策略

光伏組件輸出P-V特性曲線如圖2所示，由該圖2可見，光伏組件是一種非線性電源，且只有一處最大電功率點(MPP)，但并非任意大。光伏組件的最大功率點(MPP)除了與自身特性有關(guān)外，主要與光照強(qiáng)度和溫度等外部條件有關(guān)；在不同的光照強(qiáng)度和溫度條件下，光伏組件輸出功率不同；要使光伏組件盡可能工作在最大功率點，必須進(jìn)行最大功率跟蹤。由線性電源最大功率傳輸定理可知，電源內(nèi)阻和等效負(fù)載電阻相等時，電源輸出功率最大[2]。在極短的時間內(nèi)，可認(rèn)為光伏組件和DC/DC變流器(等效電阻)組成的電源是線性的；通過調(diào)整DC/DC變流器PWM波占空比，使變流器電阻與光伏組件內(nèi)阻相等，光伏組件輸出功率最大。

圖2 光伏組件輸出P-V特性曲線圖

由圖2可知，光伏組件輸出P-V特性是一條單峰曲線，最大電功率點(MPP)處斜率為零即電導(dǎo)為零，因此根據(jù)公式(1)找到電導(dǎo)為零的點即找到最大功率點。然而距離MPP越遠(yuǎn)，電導(dǎo)絕對值越大，反之，電導(dǎo)絕對值越??；根據(jù)這一電導(dǎo)特性，選用變步長微量電導(dǎo)法進(jìn)行最大功率跟蹤[3-4]。變步長微量電導(dǎo)法的基本原理是：距離最大功率點較遠(yuǎn)，跟蹤步長較大；反之，跟蹤步長較小?？刂破鞲鶕?jù)電導(dǎo)的變化量和變化方向，自動改變跟蹤步長；動態(tài)修正控制DC/DC變流器的PWM波占空比，變流器電阻逐步逼近光伏組件內(nèi)阻，使組件輸出功率最大，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤，其控制流程如圖3所示。占空比如公式(2)所示；步長如公式(3)和公式(4)所示，Δmax是初始步長，是比例系數(shù)，決定了跟蹤靈敏度。變步長微量電導(dǎo)法跟蹤開始時，步長較大，跟蹤速度快；接近最大功率點時，步長變小，跟蹤精度高。這樣兼顧了跟蹤速度和精度，但對控制器的數(shù)字處理能力要求較高。

在Matlab/Simulink中對變步長微量電導(dǎo)法最大功率跟蹤控制策略進(jìn)行仿真驗證，并對比傳統(tǒng)的微量電導(dǎo)法進(jìn)行分析。DC/DC變流器是BUCK電路，負(fù)載是鉛酸蓄電池；光伏組件電氣參數(shù)max=35 W，max=16.5 V，max=2.12 A，光照強(qiáng)度和溫度分別為1 000 W/m2和25℃；Δmax=0.2，=0.06。在標(biāo)準(zhǔn)條件下運(yùn)行至3 s處，溫度由25℃躍升至50℃，傳統(tǒng)微量電導(dǎo)法和變步長微量電導(dǎo)法的仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，這兩種跟蹤方法的穩(wěn)態(tài)性能基本一致，但變步長微量電導(dǎo)法的動態(tài)響應(yīng)能力較好。圖5和圖6分別給出了溫度和光照強(qiáng)度變化時，變步長微量電導(dǎo)法跟蹤策略輸出的電流波形；可見，變步長微量電導(dǎo)法完成了最大功率跟蹤，跟蹤速度快且平穩(wěn)，動態(tài)性能優(yōu)異；穩(wěn)態(tài)后對應(yīng)輸出電流呈現(xiàn)一定的波動，但不影響總體跟蹤效果，總的來講，動態(tài)和靜態(tài)性能較優(yōu)異。

圖3 變步長微量電導(dǎo)法最大功率跟蹤控制策略流程圖

圖4 微量電導(dǎo)法最大跟蹤仿真波形

圖5 溫度25℃升至50℃電流波形

3 電路設(shè)計

根據(jù)理論研究和仿真分析，最大功率跟蹤控制器的控制策略選用變步長微量電導(dǎo)法。本節(jié)設(shè)計的最大功率跟蹤控制器電路主要包括TMS320F2812 DSP外圍、數(shù)據(jù)采樣和BUCK電路。TMS320F2812 DSP作為控制器核心主要負(fù)責(zé)變步長微量電導(dǎo)法算法、電壓電流數(shù)據(jù)采樣、LCD動態(tài)顯示、保護(hù)及故障提示任務(wù)之間的協(xié)調(diào)；BUCK電路主要完成電能變換。

圖6 光照強(qiáng)度1 000 W/m2降至700 W/m2電流波形

3.1 DSP選擇與數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

直流電流采集選用TBC5PS 3.3高精度雙閉環(huán)霍爾電流傳感器，該傳感器的原邊檢測范圍在0～12 A，副邊輸電電壓范圍在0～0.625 V(取樣電阻100 Ω)，響應(yīng)時間<500 ns，線性度<0.1%FS，電源3.3 V；直流電壓檢測電路選用簡單實用的由精密電阻組成分壓電路，這里不詳細(xì)介紹。為提高控制器的數(shù)據(jù)處理精度、速度和抗干擾能力，選用TMS320F2812 DSP作為控制器芯片[5]。

TMS320F2812 DSP是高性能系統(tǒng)級芯片，自動中斷響應(yīng)和高速處理異步事件，提高了運(yùn)算速度；12位高頻A/D引腳可高速精準(zhǔn)采樣；事件管理模塊(EV)可精確編程產(chǎn)生最大功率跟蹤的PWM波。選用TMS320F2812 DSP作為控制器的控制芯片，可以充分利用其芯片豐富的內(nèi)部資源，省去部分外圍電路，簡化電路設(shè)計；可以有效降低電路功耗和噪聲干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電路的集成度[6]，也便于維護(hù)和升級?；魻栯娏鱾鞲衅髋cTMS320F2812 DSP接口電路如圖7所示，霍爾電流傳感器輸出電流經(jīng)取樣電阻R10轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)LM358“隔離”后，通過濾波電路，消除信號中的共模、串模干擾及高頻干擾后，直接差分輸入到TMS320F2812 DSP的模擬輸入端ADCINA0和ADCINA1，進(jìn)行信號放大和A/D轉(zhuǎn)換。

圖7 TMS320F2812DSP接口電路圖

3.2 BUCK電路設(shè)計

DC/DC變流器選用BUCK電路，如圖8所示，主要包括驅(qū)動電路和功率主電路兩部分。BUCK電路的優(yōu)點主要是功率開關(guān)管輸入電流小，線路功耗小，結(jié)構(gòu)簡單，控制容易。

圖8 BUCK電路圖

圖 8中 D7、C24、Q8、D8、L2、C25和鉛酸蓄電池組成BUCK功率主電路，其中D7是防反接二極管，L2和C25主要用于平抑電路通斷瞬間電流、電壓突變。根據(jù)d和d的變化和變步長微量電導(dǎo)法控制策略，控制器輸出PWM控制信號，經(jīng)U8(TLP521)和U9(IR2117是美國國際整流公司生產(chǎn)的IGBT或MOSFET電壓型功率開關(guān)管的專用集成驅(qū)動芯片)組成的光電隔離裝置后，控制BUCK電路中MOSFET管Q8的通斷時間；改變光伏組件的輸出電壓，使光伏組件逐步穩(wěn)定在最大功率點處，即實現(xiàn)最大功率跟蹤。控制器根據(jù)d和d變化，尋找新的最大功率點，使光伏組件始終工作在最大功率點；最大功率跟蹤實質(zhì)是功率尋優(yōu)的動態(tài)平衡過程。

4 結(jié)束語

通過對光伏組件最大功率跟蹤控制策略的研究，提出了變步長微量電導(dǎo)法的控制策略，并進(jìn)行仿真分析。證明了這種控制策略具有良好的穩(wěn)態(tài)跟蹤和動態(tài)響應(yīng)優(yōu)點；該方法能快速響應(yīng)環(huán)境變化，重新尋找新的最大功率點?；谧儾介L微量電導(dǎo)法控制策略和高性能TMS320F2812 DSP，設(shè)計了最大功率跟蹤控制器，它具有高可靠、高抗噪、高集成、低功耗和設(shè)計簡單等優(yōu)點。這種控制器具有很好的應(yīng)用前景，此外，這種控制策略對其它類型的電能變換控制具有一定的參考意義。

[1]閔江威.光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

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[6]李立偉，劉斌，段雄英.智能型蓄電池恒流放電裝置的研制[J].儀表技術(shù)與傳感器，2006(12)：60-62.

Design of maximum power point tracking controller for PV generation system

LI Ji-chuan,WANG Ruo-xing,HUO Fu-qiang

The output characteristics of PV and the advantages and disadvantages of the traditional maximum power point tracking methods were analyzed, and the variable step size incremental conductance algorithm was put forward.Based on the Matlab/Simulink and the BUCK DC/DC convert,the simulation experiment was taken out,and the simulation results of the traditional and variable step size incremental conductance algorithm were analyzed.The simulation results show when the light intensity and temperature change,the method can quickly and accurately track the maximum output power of PV module.Based on the TMS320F2812 DSP,the maximum power point tracking controller circuit was designed.

PV module;maximum power point tracking;variable step size incremental conductance algorithm

TM 914

A

1002-087 X(2015)04-0807-03

2014-09-02

李繼川(1972—)，男，山東省人，工程師，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)及繼電保護(hù)。