光伏系統(tǒng)MPPT控制器設(shè)計(jì)

方曉敏　王鑫

摘 要：光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)隨著溫度和輻照度的變化而時(shí)刻變化，為了提高光伏電池輸出功率，需要通過最大功率控制器進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤。文章設(shè)計(jì)了一種光伏系統(tǒng)MPPT控制器，包括DC-DC電路、功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路、電壓電流檢測電路、輔助電源、通訊模塊等。該控制器可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的快速準(zhǔn)確追蹤。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)；控制器

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0094-02

Abstract： The maximum power point of photovoltaic cell varies with temperature and irradiance. In order to improve the output power of photovoltaic cell， it is necessary to track the maximum power point through the maximum power controller. In this paper， a MPPT controller for photovoltaic system is designed， including DC-DC circuit， power switch drive circuit， isolation circuit， voltage and current detection circuit， auxiliary power supply， communication module and so on. The controller can realize the fast and accurate tracking of the maximum power point of photovoltaic power generation system.

Keywords： photovoltaic system； maximum power point； controller

引言

光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)隨著溫度和輻照度的變化而時(shí)刻變化。但某一時(shí)刻，溫度和太陽輻照強(qiáng)度一定時(shí)，光伏電池有唯一的最大功率輸出點(diǎn)；MPPT（Maximum Power Point Tracking）技術(shù)就是通過最大功率控制器，使光伏電池時(shí)刻工作在最大功率點(diǎn)，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。本文設(shè)計(jì)了一種光伏系統(tǒng)MPPT控制器，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的快速準(zhǔn)確追蹤。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電系統(tǒng)包括太陽電池、MPPT控制器以及蓄電池和負(fù)載。光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件電路主要包括Boost電路、驅(qū)動(dòng)電路、信號采樣和調(diào)理電路、控制電路。

光伏MPPT控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件電路主要包括控制電路部分和功率電路部分，兩部分之間采用光耦隔離，防止因功率電路中的強(qiáng)電對控制電路造成損害。

2 功率電路設(shè)計(jì)

2.1 DC-DC電路

本文采用Boost電路，其主要優(yōu)點(diǎn)在于：在輸出電感合適時(shí)，電路可以保持電流連續(xù)工作狀態(tài)，而不用增加電容，減少系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本；開關(guān)功率管的驅(qū)動(dòng)電路也較為簡單；同時(shí)，小型光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓較低，需要對其升壓才能滿足負(fù)載和并網(wǎng)的需要。

Boost電路可以使輸出電壓高于輸入電壓，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。Boost電路由輸入電壓Vin、儲(chǔ)能電感L、功率開關(guān)管SW、續(xù)流二極管VD、輸出電容C、負(fù)載電阻R等組成，其中功率開關(guān)管一般采用開關(guān)速度較快控制、邏輯簡單的MOSFET管。

2.2 功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

主控制器采集電流、電壓信號，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤算法，輸出相應(yīng)的PWM波控制信號。但是，控制信號不能直接驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管，需要加入驅(qū)動(dòng)電路。MOSFET管驅(qū)動(dòng)一般采用推免電路結(jié)構(gòu)或?qū)Ｓ肕OSFET驅(qū)動(dòng)芯片。本文采用的驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)效果好、使用方便、空間小等優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)所選的MOSFET管的相關(guān)參數(shù)，選擇德州儀器（Texas Instruments，TI）公司生產(chǎn)的UCC27324作為驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器開關(guān)速度較快，最大可提供正負(fù)4A的驅(qū)動(dòng)電流，可以滿足本系統(tǒng)功率開關(guān)管的穩(wěn)定運(yùn)行。UCC27324驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.3 隔離電路

由于功率電路部分的電壓、電流值相對較高，并且變化頻繁，為防止功率電路對控制電路的影響，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力，需要在功率電路與控制電路之間加入隔離電路。本文在功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路前端加入高速光耦合芯片6N137。6N137光耦合器為單向信號傳輸，典型轉(zhuǎn)換速率高達(dá)10Mbit/s，可以有效阻隔后端高電壓信號對控制器的影響，同時(shí)具有溫度、電流和電壓補(bǔ)償功能，其電路如圖4所示。

3 控制電路設(shè)計(jì)

3.1 電壓電流檢測電路

本文的電壓、電流檢測電路用于檢測太陽電池輸出電壓Vpv、輸出電流Ipv，以及Boost電路輸出電流Vo、輸出電壓Io。由于MPPT控制器需要快速、準(zhǔn)確跟蹤太陽電池最大功率點(diǎn)，因此對數(shù)據(jù)采集精度的要求也較高，采用TI公司的高速單電源軌至軌運(yùn)算放大器芯片OPA2350，具備低噪音和高速運(yùn)行特性，可以準(zhǔn)確采集模擬信號至AD轉(zhuǎn)換器。

電壓檢測采用電阻分壓的形式檢測，如圖5所示，以太陽電池輸出電壓Vpv為例。在太陽電池輸出端由電阻R3、R6、R7構(gòu)成的分壓電路，分壓電路中的電阻阻值較大（千歐級），因此對整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)電路影響可以忽略不計(jì)。通過檢測R3兩端的電壓值，就可以計(jì)算出Vpv。電阻R3兩端的檢測電壓，通過電壓跟隨器進(jìn)行阻抗匹配，然后輸入至主控制器ADC采樣引腳。本系統(tǒng)中太陽電池輸出最大電壓為22.1V，經(jīng)過分壓后R3兩端的電壓最大為1V，滿足STM32中ADC輸入電壓范圍。

電流檢測采用串聯(lián)小電阻采樣的形式，如圖6所示，以太陽電池輸出電流Ipv為例。在太陽電池輸出端回路中串聯(lián)一個(gè)阻值小精度高的標(biāo)準(zhǔn)電阻R8作為取樣電阻，檢測出取樣電阻兩端的電壓，經(jīng)過計(jì)算得出該輸出端回路的電流值。取樣電阻的檢測電壓，經(jīng)過差分電路和同相放大器進(jìn)行處理，送至主控制器的ADC采樣引腳。

3.2 輔助電源設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)中各芯片所需電源的要求，輔助電源電路需要提供3.3V、5V、12V電源。為保證各芯片正常、穩(wěn)定運(yùn)行，采用三端穩(wěn)壓集成電路LM7812、LM7805以及AMS1117-3.3分別得到所需的電壓值。

3.3 主控制器

本文中主控制器的作用主要有電流、電壓的采樣、實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤算法、輸出PWM波控制功率開關(guān)管，與上位機(jī)交互、顯示和存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。由于最大功率跟蹤需要具備實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，就要求主控制器具備良好的響應(yīng)速度。本文采用STM32F103系列微控制器，采用32位的Cortex-M3內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)單周期乘法和硬件除法，處理速度快，最高工作頻率為72MHz。

3.4 通訊模塊

通訊模塊采用海凌科電子的HLK-M35嵌入式串口無線網(wǎng)（UART-WIFI）模塊。該模塊能實(shí)現(xiàn)串口與無線網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換，具備內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，具有低功耗、啟動(dòng)快、聯(lián)網(wǎng)快的特點(diǎn)。將主控制器STM32的串口通信端口與HLK-M35模塊相連，可以很方便的控制、檢測光伏系統(tǒng)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制器，包括控制器、DC-DC電路、功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、隔離電路、電壓電流檢測電路、輔助電源、通訊模塊的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)。該控制器可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的快速準(zhǔn)確追蹤。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳亞愛，周京華，李津，等.梯度式變步長MPPT算法在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（19）：3156-3161.

[2]楊貴恒，張海呈.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2015.

[3]吳雷，杜蘅，徐鵬.一種用于光伏MPPT的分階段變步長電導(dǎo)增量法[J].電源技術(shù)，2016，40（3）：617-620.