基于DSP的光伏電池最大功率跟蹤算法的設(shè)計(jì)

1 引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球還有20億人得不到正常的能源供應(yīng)。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟?lèi)的能源結(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。因此，研究并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)有著廣闊的前景和意義。限制光伏系統(tǒng)的主要因素有兩點(diǎn)：⑴初期投資比較大；⑵太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率低。目前我們通常使用的光伏電池效率在15%左右，即使世界上最先進(jìn)技術(shù)的光伏電池在特殊的實(shí)驗(yàn)條件下也只能達(dá)到40%，因此光伏電池最大功率跟蹤就變得十分重要，所以長(zhǎng)期以來(lái)都是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

2 光伏電池陣列特性分析

2.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制作而成的。所謂光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能，由光子激發(fā)出電子—空穴對(duì)，經(jīng)過(guò)分離而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光伏電池的I-V特性隨日照強(qiáng)度S（W/㎡）和電池溫度t（℃）而變化，即I=f（V,S,t）。根據(jù)電子學(xué)理論，當(dāng)負(fù)載為純電阻時(shí)，光伏電池的實(shí)際等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

對(duì)應(yīng)的I-V函數(shù)如下：

　?。?）

其中－二極管結(jié)電流（A），IL－光伏電流（A），I0－反向飽和電流（對(duì)于光伏單元而言，其數(shù)量級(jí)為10-4A），q-電子電荷（1.6×10-19C），K-玻耳茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T-絕對(duì)溫度（T=t+273K），A-二極管品質(zhì)因子（當(dāng)T=330K時(shí)，約為2.80±0.152），Rs-串聯(lián)電阻（為低阻值，小于1Ω），Rsh－并聯(lián)電阻（為高阻值，數(shù)量級(jí)為KΩ）[1]。

2.2 光伏電池輸出的最大功率點(diǎn)

當(dāng)光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒流源；當(dāng)電壓超過(guò)一定的臨界值繼續(xù)上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒壓源[2]。光伏陣列的輸出功率則隨著輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強(qiáng)度都變化的環(huán)境里，通過(guò)改變光伏陣列所帶的等效負(fù)載，調(diào)節(jié)光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。

圖2 光伏電池電壓/電流曲線和電壓/功率曲線

3 最大功率跟蹤控制算法

目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法。其中，電導(dǎo)增量法的跟蹤準(zhǔn)確性最高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏電池陣列的瞬時(shí)導(dǎo)抗與導(dǎo)抗變化量的方法來(lái)完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。

達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，光伏電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。在輻射強(qiáng)度和溫度變化時(shí)，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩(wěn)追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動(dòng)小[3]。

電導(dǎo)增量法通過(guò)設(shè)定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)的鄰域內(nèi)，而不是圍繞著最大功率點(diǎn)前后波動(dòng)。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，從一個(gè)穩(wěn)態(tài)過(guò)渡到另外一個(gè)穩(wěn)態(tài)時(shí)，電導(dǎo)增量法根據(jù)電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會(huì)像擾動(dòng)觀察那樣出現(xiàn)誤判斷。

圖3中的U（k）、I（k）是檢測(cè)到的光伏電池陣列當(dāng)前電壓、電流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的電壓、電流采樣值。

圖3 電導(dǎo)增量法的控制流程圖

光伏電池陣列與Boost電路相接時(shí)，假設(shè)外部負(fù)載仍為純電阻負(fù)載，并忽略Boost電路本身阻抗的情況下，根據(jù)Boost電路的阻抗變換關(guān)系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。 D為Boost電路的開(kāi)關(guān)占空比，R為電阻性負(fù)載的阻抗。

圖4 Boost電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，工作電壓的控制是通過(guò)Boost升壓電路完成的。當(dāng)占空比D越大時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過(guò)改變Boost電路的占空比D，使其等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤的理論依據(jù)。對(duì)于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。

4 最大功率跟蹤時(shí)的問(wèn)題

采用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)Boost電路的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列的工作點(diǎn)電壓的控制，從而達(dá)到最大功率的跟蹤。然而通過(guò)光伏電池的電壓/電流曲線和電壓/功率曲線可以看出，工作在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)是改變相同步長(zhǎng)的工作電壓對(duì)光伏電池的輸出功率改變是不同的。在恒流源區(qū)內(nèi)，輸出電流對(duì)工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區(qū)對(duì)電流的影響卻是非常明顯。為了能夠更快、更精確的追蹤到光伏電池的最大功率輸出的工作電壓電流，需要對(duì)跟蹤的方法進(jìn)行改進(jìn)。

5 改進(jìn)方法

根據(jù)相同工作電壓變化量在恒壓源區(qū)和恒流源區(qū)的不同影響效果，對(duì)兩個(gè)區(qū)內(nèi)電壓變化的步長(zhǎng)作適當(dāng)調(diào)整，提高最大功率跟蹤的效率。經(jīng)過(guò)測(cè)試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開(kāi)路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區(qū)與恒壓源區(qū)電壓范圍的比例關(guān)系大概是4:1。如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒壓源區(qū)時(shí)，其工作電壓肯定大于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長(zhǎng)為△V；反之，如果判斷出當(dāng)前光伏電池陣列工作于恒流源區(qū)時(shí)，其工作電壓肯定小于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著增大工作電壓的方向變化。為了提高跟蹤速度，取它的電壓變化步長(zhǎng)為4△V。

為了提高最大功率跟蹤的精度，在一定的溫度和光照強(qiáng)度時(shí)，當(dāng)光伏電池的輸出功率與當(dāng)前條件下所能達(dá)到的最大功率接近到一定程度時(shí)，對(duì)它的跟蹤步長(zhǎng)△V進(jìn)行調(diào)制，將△V適當(dāng)變小，使其更精確的跟蹤最大功率。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，光照強(qiáng)度突然發(fā)生變化瞬間，光伏電池兩端的工作電壓不會(huì)發(fā)生明顯變化，相反，光伏電池的輸出電流會(huì)發(fā)生瞬間的明顯變化。根據(jù)這一特點(diǎn)來(lái)判斷△V應(yīng)采用大步長(zhǎng)值△V2還是小步長(zhǎng)值△V1。在系統(tǒng)控制參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要根據(jù)具體的光伏電池參數(shù)，來(lái)確定工作電流的變化量 的值作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的電導(dǎo)增量法流程

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)波形很容易看出，采用改進(jìn)后的電導(dǎo)增量算法的光伏系統(tǒng)，在光照強(qiáng)度很穩(wěn)定時(shí)，直流母線電壓的波動(dòng)非常??；當(dāng)光照強(qiáng)度突然變化時(shí)，直流母線上的電壓也非常穩(wěn)定，電流迅速增大，保證光伏電池始終做最大的輸出。

圖6 光強(qiáng)突變時(shí)的母線電流和電壓

7 結(jié)語(yǔ)

利用TMS320LF2407數(shù)字信號(hào)控制器作為主要控制芯片，采用改進(jìn)的MPPT控制方式，該系統(tǒng)具有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和跟蹤精度，具有跟蹤光伏電池陣列最大功率點(diǎn)的功能，提高了系統(tǒng)的效率，充分利用了能源。