基于優(yōu)化MPPT算法的快速高效光伏充電控制器設(shè)計(jì)

李虹飛

基于優(yōu)化MPPT算法的快速高效光伏充電控制器設(shè)計(jì)

李虹飛

濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 濟(jì)源 459000

為了有效提高光伏電池板的輸出功率，設(shè)計(jì)一種快速、高效和經(jīng)濟(jì)的光伏充電控制器。本文首先將恒壓式最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法和電導(dǎo)增量式MPPT算法相結(jié)合，提出了一種新的優(yōu)化MPPT算法。該算法可以從電導(dǎo)增量中獲得實(shí)際功率，并且工作速度比電導(dǎo)增量式MPPT更快，開路電壓只需測(cè)量一次即可將功耗降至最低。經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processing，DSP）開發(fā)板對(duì)太陽能電池板（Solarex-MSX-60）測(cè)試，該充電控制器的性能較其他光伏充電控制器表現(xiàn)出良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度且精確度較高。

充電控制器; MPPT

現(xiàn)如今全球變暖已經(jīng)不僅是環(huán)保主義者討論的重要問題，也是社會(huì)大眾經(jīng)常討論的熱門問題。目前，全球大部分能源消耗仍然十分依賴化石燃料供給。全球能源供應(yīng)中只有10%來自可再生能源[1-3]。雖然太陽是所有能源的主要來源，但現(xiàn)階段太陽能的利用率如此之小，以至于在滿足世界能源需求的貢獻(xiàn)方面被列在其他能源之后。光伏能源是可再生能源的主要來源之一，與其他形式的可替代能源相比，光伏能源因其可用性、簡(jiǎn)單性、低維護(hù)性、環(huán)境友好性、可靠性和許多其他益處而更受青睞[4]。

光伏陣列(由幾個(gè)太陽能電池組成)使用光子通過光伏效應(yīng)發(fā)電，而光伏效應(yīng)是指材料在暴露于光線下時(shí)產(chǎn)生電壓或電流[5]。在特定時(shí)間內(nèi)照射到給定區(qū)域的太陽能稱為日照。單位時(shí)間的日照度定義為輻照度。隨著輻照度的增加，會(huì)產(chǎn)生更多的能量。溫度對(duì)太陽能電池也有影響，因?yàn)闇囟仍礁?，發(fā)電量越低。即使在固定的輻照度和溫度下，太陽能電池也不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓或電流。光伏陣列具有非線性的電流-電壓特性。為了確保光伏陣列產(chǎn)生最大輸出功率，使用了一種稱為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)的技術(shù)[6]。

目前，已經(jīng)提出的MPPT算法有很多種。一些較常用和有效的MPPT技術(shù)有恒壓法、β法、系統(tǒng)振蕩法、紋波相關(guān)法、電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀察法[4-6]。在這些技術(shù)的基礎(chǔ)上，不少研究人員提出了各種改進(jìn)的MPPT方法，例如文獻(xiàn)[7]提出了一種基于變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的MPPT算法，解決了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法中因固定步長(zhǎng)導(dǎo)致的穩(wěn)態(tài)性差問題。但是這種方法計(jì)算較為復(fù)雜，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度不夠理想。因此，本文將恒壓式MPPT算法和電導(dǎo)增量式MPPT算法相結(jié)合，提出了一種新的優(yōu)化MPPT算法。并在此基礎(chǔ)上，利用SEPIC轉(zhuǎn)換器和Buck轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)一個(gè)快速、高效的光伏充電控制器。

1 相關(guān)原理介紹

即使在固定的輻照度和溫度下，光伏陣列也不會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓或電流。太陽能電池的I-V特性隨著負(fù)載的變化而變化。圖1和圖2分別顯示了典型太陽能電池的I-V特性和P-V特性。

圖 1 I-V特性

圖2 P-V特性

1.1 恒壓MPPT

在目前已提出的MPPT技術(shù)中，恒壓MPPT的算法最簡(jiǎn)單，因此最容易實(shí)現(xiàn)。在恒壓MPPT算法中，提供給負(fù)載的電力被暫時(shí)中斷，并測(cè)量開路電壓V。然后，控制器恢復(fù)工作，電壓控制在固定的V比率，如0.76。特定常數(shù)定義為:

式中，V為最大功率輸出時(shí)的光伏陣列電壓。占空比：

然而，這種方法產(chǎn)生了一個(gè)近似的結(jié)果，并且沒有考慮氣候變化引起的V的變化。

1.2 電導(dǎo)增量MPPT

電導(dǎo)增量法的理論是通過測(cè)量和比較光伏組件的增量電導(dǎo)(/)和瞬時(shí)電導(dǎo)(?/?)來確定光伏組件端電壓的方向變化。如果增量電導(dǎo)的值等于瞬時(shí)電導(dǎo)的值，則獲得最大功率點(diǎn)。

2 光伏充電控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)充電控制器的輸入為光伏陣列的輻照度和溫度。將光伏陣列連接到SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中PWM開關(guān)信號(hào)由MPPT算法提供。然后將SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Buck轉(zhuǎn)換器[8]，以確保Buck轉(zhuǎn)換器的電壓輸出保持在14 V，這是有效充電12 V電池所需的電壓（圖3）。

圖 3 充電控制器系統(tǒng)的框圖

2.1 提出的優(yōu)化MPPT算法

本文提出了一種結(jié)合恒壓方法和電導(dǎo)增量方法的優(yōu)化MPPT算法。該優(yōu)化MPPT算法通過瞬間斷開負(fù)載來獲得開路電壓。在此期間，使用電容器為負(fù)載供電。通過以固定速率切換SEPIC轉(zhuǎn)換器（用于執(zhí)行MPPT操作）的柵極，一部分V被提供給負(fù)載。然后根據(jù)電導(dǎo)增量算法改變占空比，得到最大功率點(diǎn)。該優(yōu)化MPPT算法的具體步驟如圖4所示。

圖 4 提出優(yōu)化MPPT算法的實(shí)施步驟

2.2 SEPIC轉(zhuǎn)換器

光伏陣列連接到SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中門控信號(hào)通過前面討論的MPPT算法提供。SEPIC轉(zhuǎn)換器是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，類似于buck-boost轉(zhuǎn)換器[9]。與buck-boost轉(zhuǎn)換器相比，它的輸出極性與輸入電壓相同，通過使用串聯(lián)和附加電容，可以更快地響應(yīng)輸入和輸出的變化。光伏陣列的電壓和電流值分別由電壓和電流傳感器測(cè)量，因此SEPIC轉(zhuǎn)換器的柵極被相應(yīng)地切換，以確保光伏陣列處于理想的工作狀態(tài)。SEPIC轉(zhuǎn)換器的參數(shù)由以下公式定義：

式中，表示轉(zhuǎn)換器的占空比，V表示二極管的正向壓降，V表示輸入電壓，V表示輸出電壓，?I表示電感紋波電流，表示最壞情況效率，1=1表示電感值，f表示開關(guān)頻率，C表示電容值，max表示最大占空比，?V表示輸出紋波電壓，I表示輸出電流。

2.3 Buck轉(zhuǎn)換器

SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Buck轉(zhuǎn)換器，Buck轉(zhuǎn)換器又用于電壓調(diào)節(jié)。在Buck轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓小于輸入電壓[10-13]。將Buck轉(zhuǎn)換器的輸出與參考電壓進(jìn)行比較，并將誤差信號(hào)發(fā)送給比例積分（proportional integral，PI）控制器，然后將PI控制器的輸出與三角波進(jìn)行比較，然后將所得脈沖用于開關(guān)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）Buck轉(zhuǎn)換器。Buck轉(zhuǎn)換器的參數(shù)由如下公式定義：

所提出充電控制器的完整電路圖如圖5所示。

3 結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提充電控制器的性能，并分析優(yōu)化MPPT算法的優(yōu)勢(shì)，利用TMS320F335 DSP[14]進(jìn)行了具體測(cè)試。對(duì)于光伏陣列模擬器，考慮使用太陽能電池板（Solarex-MSX-60）[15]（圖6）。

圖 5 所提充電控制器的完整電路

圖 6 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過程中，輻照度在600~1000 W/m2之間變化，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)中光伏模型相關(guān)參數(shù)[16]如表1所示。光伏陣列的電壓、電流和功率分別如圖8、圖9和圖10所示。

表 1 仿真模型相關(guān)參數(shù)

圖 7 輻照度變化

圖 8 光伏陣列的電壓

圖 9 光伏陣列的電流

圖 10 光伏陣列的功率

在局部陰影條件下，將本文提出優(yōu)化MPPT算法和文獻(xiàn)[7]的算法進(jìn)行了對(duì)比分析，其中光照強(qiáng)度為1000 W/m2。優(yōu)化MPPT算法的最大功率點(diǎn)跟蹤結(jié)果（功率和電流）如圖11所示。文獻(xiàn)[7]算法的最大功率點(diǎn)跟蹤結(jié)果（功率和電流）如圖12所示。對(duì)比圖11和圖12可以看出，本文優(yōu)化MPPT算法能夠更快速的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，且準(zhǔn)確度較高。

圖 11 優(yōu)化MPPT算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖 12 文獻(xiàn)[7]算法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖13為提出光伏充電控制器和文獻(xiàn)[7]中光伏充電控制器的電壓波形圖，其中光照強(qiáng)度為1000 W/m2。在0.03 s時(shí)環(huán)境溫度由12 ℃快速升高33 ℃。從圖13可以看出相比文獻(xiàn)[7]，提出光伏充電控制器的響應(yīng)速度更快，曲線平滑且波動(dòng)較小。

圖 13 兩種算法的電壓輸出對(duì)比

4 結(jié) 論

本文提出了一種適用于光伏系統(tǒng)的快速高效光伏充電控制器。該充電控制器包括SEPIC轉(zhuǎn)換器和Buck轉(zhuǎn)換器，并采用了新的優(yōu)化MPPT算法。將恒壓式MPPT算法和電導(dǎo)增量式MPPT算法相結(jié)合。DSP實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提充電控制器的可行性，響應(yīng)速度更快且準(zhǔn)確度較高。但是，所提光伏充電控制器在不同的環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度條件下的穩(wěn)定性仍不夠理想，后續(xù)將開展進(jìn)一步研究。

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The Design for Fast and Efficient Photovoltaic Charging Controller Based on Optimized MPPT Algorithm

LI Hong-fei

459000,

In order to effectively improve the output power of photovoltaic panels, a fast, efficient and economical photovoltaic charging controller is designed.This paper firstly combines the maximum power point Tracking (MPPT) algorithm with the conductance incremental MPPT algorithm and proposes a new optimized MPPT algorithm.This algorithm can obtain the actual power from the conductance increment, and the working speed is faster than the conductance increment MPPT, and the open-circuit voltage only needs to be measured once to reduce the power consumption to the minimum.Through the test of solarex-MSX-60 solar panel developed by digital signal Processing (DSP), it is verified that the performance of the charging controller is better than that of other photovoltaic charging controllers in dynamic response speed and higher accuracy.

Charging controller; MPPT

TM464

A

1000-2324(2021)02-0299-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.025

2019-09-05

2019-11-12

李虹飛(1975-),女,碩士,副教授,主要從事電氣控制工作. E-mail:jyslhf@163.com