基于DSP的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)

摘要：太陽能光伏陣列的輸出特性受外界環(huán)境的影響具有強(qiáng)烈的非線性，為了提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近。本文通過對太陽能電池伏安特性的分析，采用自適應(yīng)擾動觀察算法，基于TMS320F2812設(shè)計(jì)了MPPT控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在此算法控制下，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地跟蹤最大功率點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光伏電池；最大功率跟蹤；最大功率點(diǎn)跟蹤；TMS320F2812

O 引言
    隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的不斷加速和工業(yè)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，能源問題已成為人類需要迫切解決的問題，大力發(fā)展新的可替代能源已成為當(dāng)務(wù)之急。太陽能是一種取之不盡用之不竭的綠色能源，太陽能發(fā)電具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的相對廣泛性和充足性、長壽性及維護(hù)性等其它常規(guī)能源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。光伏發(fā)電雖然具有以上的優(yōu)勢，但是實(shí)際應(yīng)用中還存在很多的問題。光伏發(fā)電的主要缺點(diǎn)之一是太陽能電池陣列的光電轉(zhuǎn)換效率太低。為了解決該問題，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近。目前，光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問題已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。
    高性能的數(shù)字信號處理芯片(DSP)的出現(xiàn)，使得一些先進(jìn)的控制策略應(yīng)用于光伏發(fā)電控制系統(tǒng)成為可能。本論文就是在此背景下，采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812進(jìn)行控制，開展了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 光伏電池的特性
    太陽能電池的輸出特性是非線性的，它受到光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素的影響。太陽能電池的等效電路如圖1所示，圖2是光伏電池在不同溫度下的I-V、P-V特性，圖3為光伏電池在不同日照強(qiáng)度下的I-V、P-V特性。

    從圖2可以看出，太陽能電池開路電壓V0。主要受電池溫度的影響；從圖3可以看出，太陽能電池短路電流Is。主要受日照強(qiáng)度的影響，而且在一定的溫度和光照強(qiáng)度下，太陽能電池具有唯一的最大功率輸出點(diǎn)。由于實(shí)際應(yīng)用中不能保證其總是工作在最大功率點(diǎn)上，所以在應(yīng)用中要用到MPPT裝置，以保證太陽能電池的輸出功率在最大功率點(diǎn)的附近。

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2 MPPT基本原理
    MPPT的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測，得到當(dāng)前陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時(shí)刻功率相比較，舍小取大，再檢測，再比較，如此周而復(fù)始。MPPT控制系統(tǒng)的DC-DC變換的主電路采用Boost升壓電路。圖4為Boost變換器的主電路，電路由開關(guān)管T、二極管D、電感L、電容C組成。工作的原理為在開關(guān)T導(dǎo)通時(shí)，二極管D反偏，太陽能電池陣列向電感L存儲電能；當(dāng)開關(guān)T斷開時(shí)，二極管導(dǎo)通，由電感L和電池陣列共同向負(fù)載充電，同時(shí)還給電容C充電，電感兩端的電壓與輸入電源的電壓疊加，使輸出端產(chǎn)生高于輸入端的電壓。Boost電路輸入輸出的電壓關(guān)系為：     V0=VI／(1-D) (1)

    當(dāng)Boost變換器工作在電流連續(xù)條件下時(shí)，從式(1)可以得到其變壓比僅與占空比D有關(guān)而與負(fù)載無關(guān)，所以只要有合適的開路電壓，通過改變．Boost變換器的占空比D就能找到與太陽能電池最大功率點(diǎn)相對應(yīng)的VI。

3 MPPT控制的實(shí)現(xiàn)
3．1 控制算法
    目前實(shí)現(xiàn)太陽能MPPT常用的算法有擾動觀察法(P&O)和電導(dǎo)增量法(INC)。前者的算法結(jié)構(gòu)簡單、檢測參數(shù)少，應(yīng)用較普遍，但在最大功率點(diǎn)附近，其波動較大；后者的算法波動較小，但較為復(fù)雜，跟蹤過程需花費(fèi)相當(dāng)長的時(shí)間去執(zhí)行A／D轉(zhuǎn)換。
    系統(tǒng)采用自適應(yīng)擾動觀察法，通過對擾動觀察法的改進(jìn)，引進(jìn)一個(gè)變步長參數(shù)λ(k)來解決在最大功率點(diǎn)附近波動大的問題，其中λ(k)=ε|△P|式中ε是一個(gè)恒定的常數(shù)，自適應(yīng)擾動觀察法的程序流程圖如圖5所示。圖中e決定了跟蹤精度，λ(k)為占空比步長，決定功率變化的步長，η為擾動方向控制系數(shù)，取值為1。當(dāng)|△P|<e時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近，λ(k)的值將自動調(diào)節(jié)變小來滿足動態(tài)調(diào)節(jié)步長的要求。

3．2 硬件實(shí)現(xiàn)
    控制電路使用TI公司的TMS320F2812 DSP作為主控制芯片，其快速的運(yùn)算能力、豐富的外設(shè)資源能為整個(gè)控制系統(tǒng)提供一個(gè)良好的平臺。DSP是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它接受采樣電路送來的模擬信號，按照控制算法對采樣信號進(jìn)行處理，然后產(chǎn)生所需要的PWM波形，經(jīng)驅(qū)動放大后控制主電路功率開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)MPPT。TMS320F2812在時(shí)鐘頻率150MHz下，其時(shí)鐘周期僅為6．67ns，8通道16位PWM脈寬調(diào)制，2×8通道12位A／D轉(zhuǎn)換模塊，一次A／D轉(zhuǎn)換最快轉(zhuǎn)換周期僅為200ns。TMS320F2812 DSP芯片的這些特點(diǎn)能夠滿足MPPT控制精度和速度的要求。
    采用其中兩路A／D轉(zhuǎn)換輸入通道作為太陽能電池的輸出電流和電壓的采集通道，經(jīng)過MPPT控制產(chǎn)生驅(qū)動PWM波形控制DC-DC開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，其控制的框圖如圖6所示。

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3．3 軟件實(shí)現(xiàn)
    MPPT的控制流程圖如圖5所示，其功能是在中斷服務(wù)模塊中完成的。在主程序中主要是完成對寄存器，定時(shí)器以及PWM的初始化，其流程圖如7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    為驗(yàn)證MPPT系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)了MPPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并與無此裝置下光伏電池的發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的太陽能電池采用大禾科技有限公司的多晶硅電池組件DH-20，其性能參數(shù)為：開路電壓Voc=21．5v；短路電流Isc=1．30A；標(biāo)稱功率PM=20W，蓄電池為24V／12Ah鉛酸蓄電池。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，接入MPPT裝置后，光伏電池的輸出功率有了顯著提高。

5 結(jié)論
    提出了一種利用DSP控制的，以Boost變換器為核心，以鉛酸蓄電池為負(fù)載的MPPL系統(tǒng)。詳細(xì)分析了MPPT的原理，并對該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用TMS320F2812 DSP芯片控制的MPPT系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏電池最大功率跟蹤，電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、效率高，且具有針對蓄電池過充、過放、逆變輸出過流等異常情況的多種保護(hù)作用，因而具有一定的實(shí)用價(jià)值。