光伏陣列GMPPT控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

廉小親， 葉曉劍， 趙 瑾， 張曉力， 段振剛(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

光伏陣列GMPPT控制器的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

廉小親， 葉曉劍， 趙 瑾， 張曉力， 段振剛
(北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京100048)

在實(shí)際工程應(yīng)用中存在光伏陣列局部遮陰或光照不均等現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)輸出的P-V特性曲線出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大輸出功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)有效追蹤，基于自適應(yīng)粒子群優(yōu)化(APSO)算法設(shè)計(jì)出了一種光伏陣列全局最大功率點(diǎn)追蹤(GMPPT)控制器。簡要介紹了APSO算法在控制器中的應(yīng)用方法，闡述了控制器的總體設(shè)計(jì)方案及硬件電路設(shè)計(jì)，并給出了測試結(jié)果。測試結(jié)果表明：該控制器能夠有效、快速、準(zhǔn)確地追蹤到光伏發(fā)電系統(tǒng)的全局最大功率點(diǎn)，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；局部遮陰；GMPPT控制器；DSP

隨著全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，可再生能源逐步得到應(yīng)用。在可再生能源中，太陽能以其分布廣泛、無污染、安全可靠等優(yōu)勢成為各國重視的焦點(diǎn)。目前，光伏發(fā)電是人類利用太陽能的主要方式。在溫度和日照強(qiáng)度一定的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)P-V特性曲線呈單峰性有唯一的最大功率點(diǎn)，但實(shí)際工程應(yīng)用中，不可避免地存在光伏陣列局部遮陰或光照不均等現(xiàn)象，此時(shí)系統(tǒng)的輸出P-V特性曲線會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值點(diǎn)[1]。為提高太陽能的能量轉(zhuǎn)換效率，必須對光伏陣列的輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的追蹤。本文結(jié)合自適應(yīng)粒子群優(yōu)化(APSO)算法設(shè)計(jì)出了一款基于DSP的光伏陣列全局最大功率點(diǎn)追蹤(GMPPT)控制器，并對其進(jìn)行了性能測試。

1 控制器的總體設(shè)計(jì)方案

控制器作為連接光伏陣列和負(fù)載的中間環(huán)節(jié)，必須能準(zhǔn)確獲得光伏陣列的輸出功率、運(yùn)行控制算法以及產(chǎn)生控制信號(hào)。所以，本GMPPT控制器系統(tǒng)主要由功率采集環(huán)節(jié)、控制核心和功率控制環(huán)節(jié)三個(gè)部分組成。設(shè)計(jì)時(shí)，采用DSP作為控制

圖1　　控制器總體結(jié)構(gòu)框圖

光伏系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過電壓、電流采集模塊實(shí)時(shí)采集光伏陣列的輸出電壓和電流，并利用信號(hào)處理模塊將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換到能夠被DSP的AD模塊識(shí)別的范圍內(nèi)。然后由控制核心根據(jù)光伏陣列輸出電壓和電流的采集值計(jì)算出相應(yīng)的輸出功率，同時(shí)運(yùn)行APSO算法控制DSP產(chǎn)生PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而調(diào)節(jié)BOOST轉(zhuǎn)換電路中功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，實(shí)現(xiàn)負(fù)載阻抗和光伏電池內(nèi)阻等值匹配，使光伏陣列輸出的功率最大。

2 控制算法

本控制器采用適合多峰尋優(yōu)的APSO算法作為控制算法，該算法的基本思想是基于粒子的群體迭代，能克服PSO算法固定參數(shù)的不足，根據(jù)群體自適應(yīng)地調(diào)整慣性因子。APSO基本數(shù)學(xué)表示[2-3]略。

(1)實(shí)際應(yīng)用中APSO算法表示及基本原理

在APSO算法實(shí)際應(yīng)用中，光伏陣列的功率函數(shù)定義為APSO算法的目標(biāo)函數(shù)。因?yàn)槊看胃淖兛刂泼}沖波(PWM)的占空比之后，光伏陣列輸出的電壓和電流都會(huì)隨之改變，所以控制器輸出PWM的占空比定義為粒子的位置，占空比的變化量定義為粒子的速度。應(yīng)用時(shí)，APSO算法的表達(dá)式如下：設(shè)搜索空間為d維，總粒子數(shù)m，第i個(gè)粒子在k次迭代后的位置、速度分別為Dutyik、Δdutyik，其中：i=1,…,m。設(shè)Pik為第i個(gè)粒子在迭代k次后的最優(yōu)位置，Pgk為所有粒子在迭代k次后的全局最優(yōu)位置。

第i個(gè)粒子的速度和位置按如下公式變化：

式中：ω為慣性因子；c1、c2為加速度系數(shù)；r1、r2為兩個(gè)相互獨(dú)立的U(0,1)隨機(jī)函數(shù)。

每個(gè)粒子的位置極值點(diǎn)：

全局最優(yōu)功率點(diǎn)：

式中：f(·)為目標(biāo)函數(shù)。

粒子群初始位置和速度隨機(jī)產(chǎn)生，然后按式(1)～式(4)進(jìn)行迭代，直至找到最優(yōu)解為止。APSO算法流程見圖2。

圖2　APSO算法流程

APSO算法在控制器上開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)先對粒子位置進(jìn)行初始化?？紤]到追蹤的時(shí)效性，初始化時(shí)粒子的個(gè)數(shù)不能選取太多。初始化結(jié)束以后，粒子群將進(jìn)行第一次迭代，在迭代過程中，不斷更新粒子的極值和全局最大值。迭代完成后，系統(tǒng)會(huì)判斷所有粒子是否已經(jīng)收斂。倘若尚未收斂，控制器將對粒子參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并更新粒子位置，為下一次迭代做準(zhǔn)備。如果已經(jīng)收斂，說明系統(tǒng)此刻有最大輸出功率，算法執(zhí)行完畢。

(2)實(shí)際應(yīng)用中APSO算法參數(shù)調(diào)整思路

APSO算法移植到GMPPT控制器上時(shí)，參數(shù)調(diào)整策略需要根據(jù)GMPPT控制器的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行修改。算法中參數(shù)w是影響APSO算法收斂效果的關(guān)鍵因素，應(yīng)根據(jù)算法的進(jìn)化狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，w應(yīng)隨著迭代次數(shù)的增加而逐漸減小。這樣就可以使占空比由大范圍逐步向小范圍變化，同時(shí)粒子的位置也逐漸向最優(yōu)位置方向靠近。

w的迭代公式調(diào)整為：

式中：k為迭代次數(shù)；α為衰減常數(shù)，其值需要通過實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行調(diào)整，在本系統(tǒng)中將α設(shè)置為10。

(3)APSO算法調(diào)用的條件

由于發(fā)電系統(tǒng)中，光照強(qiáng)度會(huì)不斷發(fā)生變化，為保證系統(tǒng)輸出功率一直最大，還需定時(shí)(本設(shè)計(jì)采用5 s的定時(shí)間隔)檢測光伏系統(tǒng)的輸出特性是否發(fā)生改變。在定時(shí)器中斷函數(shù)中，對此刻最優(yōu)功率點(diǎn)對應(yīng)的占空比進(jìn)行加大一個(gè)步長和減小一個(gè)步長處理(本設(shè)計(jì)中步長取5％)，并分別計(jì)算出處理后的占空比對應(yīng)的輸出功率，然后通過計(jì)算調(diào)整后的兩點(diǎn)與當(dāng)前全局最優(yōu)點(diǎn)之間的斜率，來判斷光伏輸出特性是否改變。如果改變，則APSO算法會(huì)被DSP控制器調(diào)用；如果未變，控制器將控制脈沖波維持在最優(yōu)占空比的位置。系統(tǒng)按照這種模式持續(xù)工作下去，保證光伏陣列輸出的功率一直是全局最大功率，這樣就可以實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)追蹤。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

3.1DSP控制核心

DSP控制核心采用TI公司的DSP芯片TMS320F28027，其自身不僅集成了DSP指令集、支持浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)還含有豐富的片上外設(shè)(包括ADC、ePWM、定時(shí)器等)，這些特點(diǎn)使其不僅具有DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力，還具有MCU的控制能力，能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。

3.2功率采集環(huán)節(jié)

功率采集環(huán)節(jié)主要由霍爾傳感器電路和信號(hào)處理電路組成。其中霍爾傳感器電路完成光伏系統(tǒng)輸出電壓、電流的采集；信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)對采集到的電壓、電流進(jìn)行濾波、放大以及電壓跟隨處理，使其轉(zhuǎn)換到可以被DSP的AD模塊識(shí)別的范圍內(nèi)，以便后期DSP對輸出功率進(jìn)行分析計(jì)算。

3.3功率控制環(huán)節(jié)

作為追蹤器的重要組成部分，GMPPT控制器的功率控制環(huán)節(jié)主要由DC-DC轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、電磁干擾(EMI)抑制電路和過流過壓保護(hù)電路組成。

3.3.1DC-DC轉(zhuǎn)換電路

DC-DC轉(zhuǎn)換電路的作用是通過控制電子器件的通斷，將直流電壓斷續(xù)地作用到負(fù)載上，以改變占空比的方式改變輸出電壓值，把某一幅值的直流電壓改變?yōu)樗枰姆礫4]。本控制系統(tǒng)選取BOOST電路作為系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)，其原理如圖3所示。

圖3　BOOST電路原理

當(dāng)BOOST電路導(dǎo)通時(shí)，輸入電源即光伏電池給升壓電感充電，此時(shí)濾波電容對負(fù)載進(jìn)行放電；當(dāng)BOOST電路斷開時(shí)，光伏電池與升壓電感共同給濾波電容充電。理想情況下，BOOST電路的升壓原理如式(6)所示：

式中：α為控制BOOST電路中開關(guān)管的PWM的占空比；U0為負(fù)載端電壓；E為光伏電池板電源電壓。

根據(jù)能量守恒定理，可推導(dǎo)出式(7)：

式中：i0為負(fù)載端電流；iL為電源端電流。

由式(7)可以看出BOOST電路通過調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷的時(shí)間即占空比，就可以將一種等效阻抗變換成另一種等效阻抗，使得與光伏電池阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，這就是光伏最大功率點(diǎn)追蹤的理論依據(jù)。

為避免BOOST電路產(chǎn)生噪聲以及過大的能量損耗，設(shè)計(jì)時(shí)著重考慮了DC-DC BOOST電路的開關(guān)頻率和轉(zhuǎn)換效率。選取型號(hào)為FGA15N120AND的IGBT作為DC-DC BOOST電路的開關(guān)管，該IGBT的CE端電壓可高達(dá)1 200 V，最大導(dǎo)通電壓為±20 V，最大允許電流為15 A。同時(shí)選取快速二極管作為DC-DC BOOST電路中的二極管，快速二極管的型號(hào)為FFP15S60S，最大通過電流為15 A，其反向承受電壓為600 V，導(dǎo)通時(shí)間小于35 ns，完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要。DC-DC BOOST電路如圖4所示。

圖4　DC-DC BOOST電路

3.3.2EMI抑制電路

在GMMPT控制電路中，控制系統(tǒng)容易向外界輸出EMI，影響系統(tǒng)工作。為此，需要在DC-DC BOOST電路的輸入端添加由共模電感和電容組成的濾波電路。共模電容主要用于抑制高速信號(hào)線產(chǎn)生的電磁波向外輻射。共模電感是一個(gè)雙向?yàn)V波器，一方面用于濾除信號(hào)線上共模電磁干擾；另一方面還可以抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾，避免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設(shè)備的正常工作。應(yīng)用時(shí)只要將共模電感的兩端分別連接一個(gè)由濾波電容組成的低通濾波器，就可將線路上的共模電磁干擾信號(hào)控制在很低的電平上。這部分電路如圖5所示。

圖5　抑制電磁干擾(EMI)電路

3.3.3過流過壓保護(hù)電路

為保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)的安全，防止應(yīng)用過程中出現(xiàn)過流或者過壓情況對系統(tǒng)造成損害，設(shè)計(jì)時(shí)在系統(tǒng)的輸入級(jí)加入了繼電保護(hù)裝置，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況設(shè)置系統(tǒng)的輸入電壓和電流的閾值分別為120 V和10 A。工作時(shí)，直接利用采集環(huán)節(jié)作為閾值檢測電路，通過霍爾電壓電流傳感器實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)的輸入電壓和電流。一旦系統(tǒng)的輸入電壓或者電流大于對應(yīng)的閾值，DSP控制核心就會(huì)切斷電路，進(jìn)而保護(hù)整個(gè)控制系統(tǒng)。過流過壓保護(hù)電路如圖6所示。

圖6　過流過壓保護(hù)電路

3.3.4驅(qū)動(dòng)隔離電路

由于DSP控制核心的I/O輸出信號(hào)較小，無法正常驅(qū)動(dòng)DC-DC BOOST電路中的IGBT開關(guān)管，而且在控制電路中，過大的電壓、電流以及高頻諧波也會(huì)對控制芯片產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，使測量精度嚴(yán)重下降，所以在本系統(tǒng)中，光耦不僅要起到光電隔離的作用還要能夠驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)管。經(jīng)對比分析，選取的光耦型號(hào)為FOD3120，該光耦不僅具有高強(qiáng)度的噪聲免疫功能、IGBT柵極驅(qū)動(dòng)能力，還具有快速的開關(guān)速度。這樣，僅通過一片F(xiàn)OD3120光耦芯片就可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)管和電路隔離的功能，大大地簡化了電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)隔離電路見圖7。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖7　光耦隔離電路

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的控制器性能，本文對整個(gè)光伏陣列GMPPT控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試時(shí)，利用安捷倫E4360A太陽能仿真電源模擬光伏陣列輸出。圖8和圖9是根據(jù)該仿真電源的AD采集卡采集到的數(shù)據(jù)繪制出的P-t圖和V-t圖。

圖8　APSO算法的P-t響應(yīng)時(shí)間

圖9　APSO算法的V-t響應(yīng)時(shí)間

從圖8的P-t曲線可以看出，粒子群在4.3 s位置開始初始化，此時(shí)隨著粒子位置的不斷調(diào)整，仿真電源的輸出功率呈現(xiàn)很大的波動(dòng)，直到5.6 s時(shí)粒子群初始化結(jié)束；然后開始迭代，在8.0 s時(shí)迭代結(jié)束，此時(shí)粒子群收斂。整個(gè)APSO算法從啟動(dòng)到收斂經(jīng)過了3次迭代，僅耗時(shí)3.7 s。

為了更清楚地觀察整個(gè)追蹤過程中粒子群的位置變化，再利用安捷倫MSO6012A混合信號(hào)數(shù)字示波器檢測輸入DC-DC BOOST電路的控制脈沖波的占空比和頻率，同時(shí)利用安捷倫34410A數(shù)字萬用表測試負(fù)載兩端的電流、電壓值。測量結(jié)果見表1，表1中的功率值和電壓值分別與圖8、圖9中的功率值和電壓值相對應(yīng)。

?????????????????????? ???? 　??/V ??/A ??/W ???/％ ????/W 0 ( ? ? ? ? ) 　3 .7 7 9 2 　1 . 4 9 1 8 　5 . 6 3 7 8 　9 1 . 0 　? 1 　8 5 .5 3 8 1 　0 . 6 7 0 9 　5 7 .3 8 7 5 　1 0 . 2 　5 1 . 7 4 9 7 2 　8 4 .6 3 5 1 　0 . 6 8 1 0 　5 7 .6 3 6 5 　1 0 . 6 　0 .2 4 9 0 3 　8 3 .7 2 7 9 　0 . 6 9 0 5 　5 7 .8 1 4 1 　1 1 . 0 　0 .1 7 8 0 ?

從表1中可以看出利用該控制器對光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤后，追蹤到的最大功率點(diǎn)為57.814 1 W，而此時(shí)安捷倫E4360A仿真電源給出的實(shí)際最大功率點(diǎn)功率為58.183 W，精度高達(dá)99.3％。從上面的測試結(jié)果可以看出本文所設(shè)計(jì)的光伏GMPPT控制器完全能夠在多峰情況下快速、精確地追蹤到最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在輸出功率最大點(diǎn)處，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的最大功率點(diǎn)追蹤算法無法在有遮擋情況下對光伏陣列的最大輸出功率進(jìn)行有效的追蹤，本文在APSO算法的基礎(chǔ)上研制出了以DSP TMS320F28027芯片為控制核心的光伏GMPPT控制器。測試結(jié)果表明該設(shè)計(jì)能夠在多峰情況下快速、精確地對最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，滿足并且實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。但由于實(shí)驗(yàn)室條件有限，一些強(qiáng)電的測試實(shí)驗(yàn)還沒有完成，如何在大功率條件下實(shí)現(xiàn)光伏控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制今后還將進(jìn)一步研究。

[1]廉小親，張曉力，王嵩，等.光伏系統(tǒng)在部分遮擋條件下的GMPPT算法研究[J].電源技術(shù)，2012，36(10)：1470-1473.

[2]黃婉平.自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法及其應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[3]韓江洪，李正榮，魏振春.一種自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法及其仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(10)：2969-2971.

[4]喬增平，李宏，崔立國，等.基于極值搜索的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤仿真[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17(2)：402-404.

Design and implementation of photovoltaic array GMPPT controller

LIAN Xiao-qin,YE Xiao-jian,ZHAO Jin,ZHANG Xiao-li,DUAN Zhen-gang
(College of Computer＆amp;Information Engineering,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Photovoltaic array partial shade and uneven illumination phenomenon were existed in the practical engineering application,which caused the P-V characteristic output curve of the system output multiple peaks.In order to track photovoltaic array maximum power output point effectively,a photovoltaic array global maximum power point tracking(GMPPT)controller was designed based on APSO algorithm.A brief description of the application of APSO algorithm was given in the controller,and the design of overall system and hardware implementation were given as well.Test results show that the tracker can work accurately and quickly to trace the global maximum power point under complex condition and has certain engineering application value.

photovoltaic power generation system;partially shaded;GMPPT controller;DSP

TM 615

A

1002-087 X(2016)01-0131-04

2015-06-12

北京市教委科技創(chuàng)新平臺(tái)(PXM2011-014213-113551)；北京市教委科技發(fā)展計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201110011005)

廉小親(1967—)，女，河南省人，博士，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測控技術(shù)。核心，APSO算法作為控制算法，電壓、電流采集模塊和信號(hào)處理模塊作為功率采集環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)隔離電路、DC-DC BOOST升壓電路等作為功率控制環(huán)節(jié)?？刂破鞯目傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。