應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器設(shè)計(jì)

戴增輝 李光布

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電; 控制器; 最大功率點(diǎn)跟蹤; DSP; 擾動(dòng)觀察法; 太陽能

中圖分類號(hào)： TN876?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）05?0131?04

Design of maximum power point tracking controller applied to

photovoltaic power generation system

DAI Zenghui， LI Guangbu

（Shanghai Lida University， Shanghai 201609， China）

Abstract： In order to improve the efficiency and stability of photovoltaic power generation systems， and accelerate the popularization of renewable energy， a maximum power point tracking controller applied to photovoltaic cell system is proposed. The photovoltaic cell system is modeled and simulated with Matlab/Simulink， and its output characteristics are analyzed. The dynamic disturbance step is used to optimize the traditional disturbance observation method in the maximum power point tracking algorithm， which can reduce the false judgment. The hardware circuit of the controller is designed on the basis of DSP TMS320F2812. The experimental results show that the proposed maximum power point tracking controller has higher stability， and can improve the utilization of solar energy effectively.

Keywords： photovoltaic power generation; controller; maximum power point tracking; DSP; disturbance observation method; solar energy

0 ?引 ?言

伴隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們的社會(huì)生活水平和質(zhì)量得到了逐步改善，社會(huì)對(duì)能源的需求也不斷增加，導(dǎo)致化石能源的開采速度不斷加快。太陽能是當(dāng)前世界上最清潔、最現(xiàn)實(shí)、大規(guī)模開發(fā)發(fā)電最有前景的可再生能源之一。其中，太陽能光伏發(fā)電受到世界各國的普遍關(guān)注[1]。太陽能光伏發(fā)電能把太陽能通過光伏組件直接轉(zhuǎn)化為電能，是當(dāng)前利用太陽能的主要途徑[2]。隨著太陽能光伏發(fā)電在全球范圍內(nèi)的不斷推廣和應(yīng)用，光伏發(fā)電系統(tǒng)也逐漸表現(xiàn)出不少缺點(diǎn)。相對(duì)較為嚴(yán)重的缺點(diǎn)主要有[3?4]：

1） 光伏電池板成本相對(duì)較高，從而無法得到大規(guī)模普及;

2） 光伏電池工作效率不高，即光能轉(zhuǎn)換效率較低，從而無法充分利用太陽能資源;

3） 用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力蓄電池通常具有使用壽命不長的問題，這在一定程度上進(jìn)一步提升了用戶使用的成本。

為了解決以上問題，研究學(xué)者針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)做出了許多研究。張曦等人對(duì)太陽能光伏發(fā)電的中長期隨機(jī)特性分析進(jìn)行了理論分析和測(cè)試[5]。曾鳴等人對(duì)太陽能光伏發(fā)電成本進(jìn)行了詳細(xì)研究，建立太陽能光伏發(fā)電的雙因素學(xué)習(xí)曲線模型[6]。劉陽等人采用ARM7處理器實(shí)現(xiàn)了太陽能光伏發(fā)電的自動(dòng)跟蹤與控制[7]，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的光伏MPPT控制方案，有效地提高了太陽能的利用率。針對(duì)光伏電池工作效率問題，為了進(jìn)一步提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，本文基于DSP TMS320F2812處理器提出一種應(yīng)用于光伏電池系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，并設(shè)計(jì)了優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤算法。采用動(dòng)態(tài)步長對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤算法中的傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少誤判。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出控制器的有效性和穩(wěn)定性，從而有效地提高了太陽能的利用率。

1 ?光伏電池的建模與仿真

1.1 ?光伏電池的工作原理

太陽能光伏發(fā)電能把太陽能通過光伏組件直接轉(zhuǎn)化為電能。圖1為光伏電池發(fā)電工作原理圖，主要使用半導(dǎo)體材料的“光生伏特效應(yīng)”。關(guān)鍵半導(dǎo)體器件為PN結(jié)。太陽光照射到光伏板產(chǎn)生空穴對(duì)，并最終產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，產(chǎn)生一定電壓和電流。

1.2 ?光伏電池的等效電路

為了從理論數(shù)學(xué)模型方面對(duì)太陽能光伏電池進(jìn)行分析，一般將其簡化為圖2所示的等效電路（光伏內(nèi)電阻不可忽略）。圖2中電流[I]的數(shù)值可以按照式（1）計(jì)算得到[8]：

[I=IL-ID-ISH] ?（1）

式中：[I]表示光伏電池輸出電流;[ISH]表示經(jīng)過分流電阻[RSH]的電流;[IL]表示光伏電池的光生電流;[ID]表示經(jīng)過二極管的電流。以上電流的單位均為A。

[ID=I0expqVjnKT-1] ? ? ? ?（2）

式中：[I0]表示PN結(jié)反向飽和電流;[Vj]表示二極管兩端的電壓;[n]表示二極管的曲線因子;[T]表示絕對(duì)溫度;[K]表示玻爾茲曼常數(shù);[q]表示單個(gè)電子所帶電量。經(jīng)過分流電阻[RSH]的電流[ISH]的計(jì)算方法如下：

[ISH=VjRSH] ? （3）

[Vj=V+IRS] ? （4）

因此，光伏電池的等效電路中電流[I]的數(shù)值可由如下公式表示：

[I=IL-I0expqVjnKT-1-1-V+IRSRSH] （5）

2 ?采用的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法

2.1 ?基于Matlab/Simulink的光伏電池輸出特性分析

通過上述光伏電池等效電路分析，可知不同光照強(qiáng)度下光伏電池的[U?I]關(guān)系和[U?P]關(guān)系均是非線性的。因此，通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)構(gòu)建了相關(guān)參數(shù)可調(diào)的光伏電池特性仿真模型，如圖3所示。

不同光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出電壓[U]和輸出電流[I]之間的關(guān)系圖如圖4所示。

不同光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出電壓[U]和輸出功率[P]之間的關(guān)系如圖5所示。兩幅圖中橫向坐標(biāo)均為電壓。因此，在相同溫度、不同光照強(qiáng)度，或者相同光照強(qiáng)度、不同溫度條件下有且只有一個(gè)最大功率點(diǎn)。

2.2 ?改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法

當(dāng)前技術(shù)條件下光伏電池板的生產(chǎn)成本不能大幅的減少，只好通過提高光伏電池工作效率的方法來提高太陽能的利用率，從而間接提高用戶的使用效益。因此，高效的控制算法成為研究的關(guān)鍵問題，即先進(jìn)的光伏最大功率跟蹤控制算法。因此，眾多科研人員和機(jī)構(gòu)針對(duì)光伏最大功率跟蹤控制算法提出了不少研究成果，例如恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)増量法和模糊控制法等。

由于具有原理簡單、調(diào)節(jié)參數(shù)較少和跟蹤速度快等優(yōu)勢(shì)，本文選擇擾動(dòng)觀察法作為光伏最大功率跟蹤控制算法。在傳統(tǒng)固定步長擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上，采用變步長的動(dòng)態(tài)調(diào)整策略來實(shí)現(xiàn)光伏最大功率跟蹤控制算法，其工作電壓為：

[Vref=Vref+adPdV=Vref+aP（k）-P（k-1）V（k）-V（k-1）] （6）

式中[a]表示大于零的調(diào)整因子，可按照經(jīng)驗(yàn)結(jié)果設(shè)置其具體數(shù)值大小。

為了有效避免光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的擾動(dòng)現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，以便盡量減少光伏最大功率跟蹤控制算法的誤判。本文采用文獻(xiàn)[9]所提改進(jìn)擾動(dòng)觀察法。在一個(gè)工作周期[T]內(nèi)，由擾動(dòng)現(xiàn)象引起的功率變化量[dP]如下：

[dP=PK+1-P0-（P0-PK）=PK+1+PK-2P0] （7）

式中：[PK]表示時(shí)刻[K]的光伏電池輸出功率;[PK+1]表示時(shí)刻[K+1]的光伏電池輸出功率;[P0]表示在[T2]時(shí)刻的一次采樣結(jié)果。

3 ?控制器硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光伏最大功率跟蹤控制器采用TI公司的DSP TMS320F2812作為主控芯片。DSP主控芯片輸出的PWM信號(hào)由驅(qū)動(dòng)電路引入，并實(shí)現(xiàn)開通、關(guān)斷和保護(hù)過程，如圖6所示。此外，需要將緩沖電路與每個(gè)開關(guān)管進(jìn)行并聯(lián)從而保護(hù)開關(guān)管，抑制尖峰波動(dòng)。緩沖電路圖如圖7所示。

4 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

本實(shí)驗(yàn)選用晶澳的兩塊光伏電池板串聯(lián)組成光伏陣列，型號(hào)為1 950×990×40，最大功率為350 W，工作電流為9.07 A，工作電壓為38.58 V，開路電壓為47.24 V，短路電流為9.25 A。

在捕獲到光伏陣列最大功率工作點(diǎn)后，本文提出的光伏最大功率跟蹤控制器能夠確保光伏陣列穩(wěn)定的運(yùn)行，且輸出電壓和電流波形無明顯波動(dòng)，如圖8所示。經(jīng)過人工跟蹤光伏陣列輸出最大功率后，得出本文提出的光伏最大功率跟蹤控制器成功跟蹤到的最大功率點(diǎn)與人工跟蹤結(jié)果一致。

5 ?結(jié) ?論

本文采用DSP TMS320F2812處理器提出一種應(yīng)用于光伏電池系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，并設(shè)計(jì)了優(yōu)化的最大功率點(diǎn)跟蹤算法。采用動(dòng)態(tài)步長對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤算法中的傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行優(yōu)化，能夠減少誤判。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出控制器的有效性和穩(wěn)定性，從而有效地提高了太陽能的利用率，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的推廣具有一定參考意義。

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