彭文麗，席自強(qiáng)，鐘 磊，張志文

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子學(xué)院，湖北 武漢430068）

光伏發(fā)電沒(méi)有機(jī)械部分，不會(huì)消耗能源，不會(huì)造成任何有害或?qū)е聹厥倚?yīng)的氣體，發(fā)電不受地域限制，太陽(yáng)能電池陣列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單［1］.但是在實(shí)際應(yīng)用中存在很多問(wèn)題，其中之一就是：太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率太低.有效解決這個(gè)問(wèn)題需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏電池的工作點(diǎn)電壓，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），使工作點(diǎn)始終在最大功率點(diǎn)附近.最大功率點(diǎn)跟蹤的控制問(wèn)題，由于有能夠處理數(shù)字信號(hào)并且高速度的芯片（DSP），這個(gè)問(wèn)題得到解決.本文采用TI公司的DSP28335作為MPPT的控制器的控制芯片，并且實(shí)時(shí)采樣光伏電池輸出的電壓和電流，再經(jīng)過(guò)軟件處理，最終達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤的目的.

1 光伏電池的特性

光伏電池的等效模型是單二極管形式，其工作原理可以看成是一個(gè)恒電流源與一只正向二極管的并聯(lián)回路.

圖1 光伏電池的等效電路圖

圖1 中，Iph是光子在光伏電池內(nèi)部的光生電流，而且其跟外界條件有關(guān)，跟光照強(qiáng)度成正比，同時(shí)跟電池的溫度成正比；IVD（二極管電流）為通過(guò)PN結(jié)的總擴(kuò)散電流，其方向與Iph相反.圖2為光伏電池在不同溫度下的輸出特性曲線(xiàn)，圖3為光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的輸出特性曲線(xiàn).在任意的外界條件下，光伏電池都具有特定的最大功率點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)操作中，為了保證系統(tǒng)工作點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)在最大功率點(diǎn)附近，需要一個(gè)MPPT的控制器來(lái)保證.

2 最大功率跟蹤原理

DC／DC變換器是用在光伏電池跟逆變器之間，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的占空比來(lái)將輸入的直流轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪坏燃?jí)的直流電壓的電路.在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般選用升壓電路，本系統(tǒng)選用的是Boost升壓電路［2］.圖4為Boost電路圖.

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)Boost變換器電路圖

Boost電路由開(kāi)關(guān)管Mosfet、續(xù)流二極管D、電感L、電容C和負(fù)載R組成.電路的基本原理：在Mosfet導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通時(shí)間為ton，此時(shí)流過(guò)電感L上的電流增加，二極管D反偏截止；在 Mosfet關(guān)斷時(shí)，關(guān)斷時(shí)間為toff，二極管D導(dǎo)通，這時(shí)由電感L和光伏電池輸出的電量共同給負(fù)載供電，同時(shí)還要給電容C充電.基于電感在一個(gè)周期內(nèi)的能量守恒定律，可得到以下關(guān)系：V ＝toffU／（ton＋toff）＝toffU／T，其中V為Boost電路的輸入電壓；U為輸出電壓.通過(guò)軟件改變其輸出的PWM波的占空比來(lái)控制Boost電路，從而實(shí)現(xiàn)MPPT.

3 MPPT算法及其實(shí)現(xiàn)

本文研究的MPPT控制器的控制芯片采用的是TMS320F28335DSP，該芯片具有3個(gè)32位CPU定時(shí)器，有12路16位的ePWM，有兩個(gè)增強(qiáng)型CAN總線(xiàn)控制器，即采用29為標(biāo)示符，單精度浮點(diǎn)運(yùn)算（FPU），采樣哈佛流水線(xiàn)結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng).DSP通過(guò)接受采樣得到光伏電池輸出的電壓跟電流值，再通過(guò)軟件去改變其輸出的PWM波的占空比來(lái)控制Boost電路，從而實(shí)現(xiàn)MPPT.由圖4可知，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)采樣電路得到光伏電池的輸出電壓跟電流值，然后將信號(hào)傳輸?shù)紻SP中，通過(guò)算法跟策略來(lái)輸出PWM信號(hào)對(duì)開(kāi)關(guān)管Mosfet進(jìn)行控制，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤.本系統(tǒng)MPPT算法使用的是電導(dǎo)增量法.

電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池的輸出功率跟隨輸出電壓變化率而波動(dòng)的規(guī)律出發(fā)，進(jìn)而推導(dǎo)出系統(tǒng)工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)時(shí)，電導(dǎo)與電導(dǎo)變換率之間的變化.電導(dǎo)增量法也是比較常用的MPPT的算法之一，這個(gè)方法控制精確，響應(yīng)很迅速，與擾動(dòng)觀(guān)測(cè)法不同，它可適用于光照強(qiáng)度不斷變換的地方.由于傳感器對(duì)于精度要求很高，成本將大幅度增加.

從光伏電池的特性曲線(xiàn)知道，最大功率點(diǎn)的輸出功率PPV與其對(duì)應(yīng)的電壓UPV滿(mǎn)足以下條件：

由此可得到

其中，G為輸出特性曲線(xiàn)的電導(dǎo)：dG為電導(dǎo)G的增量.

由上式可推導(dǎo)得到系統(tǒng)工作點(diǎn)和最大功率點(diǎn)之間的判據(jù)如下：

1）G＋dG，則UPV＜UMPP，需要適當(dāng)?shù)卦黾訁⒖茧妷褐祦?lái)達(dá)到大功率點(diǎn).

2）G＋dG，則UPV＞UMPP，需要適當(dāng)?shù)販p小參考電壓值來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn).

3）G＋dG，則UPV＝UMPP，此時(shí)正好是工作在最大功率點(diǎn)上.

4 硬件控制電路的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的光伏模塊的主要參數(shù)如下：輸入電壓為30V，電流為4.5A；輸出電流為96V，電流為2.07A.

4.1 采樣電壓電路

本系統(tǒng)是通過(guò)LV28－P采樣得到電壓值，輸出的模擬信號(hào)進(jìn)入DSP28335.電源電壓為3.3V，而且DSP的輸入電壓也為3.3V.如圖5所示為電壓的采樣電路.其中，采樣電阻是R1和R2，電壓傳感器是LV28－P，電壓范圍是10－500V.根據(jù)公式（5）可以得到R1大于等于30K.

由于采樣的電壓值需要接到DSP上，所以R2的電壓范圍是0－3.3V，根據(jù)公式（6）、（7）可以得到R2≤130Ω.本系統(tǒng)，R2取值為75Ω.

圖5 電壓采樣電路圖

4.2 電流采樣電路

電流采樣電路見(jiàn)圖6.

圖6 電流采樣電路圖

原理跟電壓采樣電路基本相同，電流傳感器采樣的型號(hào)為L(zhǎng)A55－P，電流測(cè)量額定值為50A.

4.3 驅(qū)動(dòng)電路

Mosfet開(kāi)關(guān)管采用的是IRFP250N，輸入電容為C1，這個(gè)開(kāi)關(guān)管比一般的要大，所以需要驅(qū)動(dòng)電路有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力.驅(qū)動(dòng)芯片選擇的是HCPL－316J，它的基本特性是：可以兼容CMOS和TYL電平；開(kāi)關(guān)時(shí)間為500ns.其中 G＿drive為T(mén)MS320F28335產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò) HCPL－316J后，接到Mosfet的柵極G上（圖7）.

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MPPT的控制流程如圖8所示，系統(tǒng)是先給控制電路上電后再給主電路上電.

圖7 Mosfet的驅(qū)動(dòng)電路圖

圖8 系統(tǒng)的控制流程圖

在系統(tǒng)上電后，DSP會(huì)發(fā)出關(guān)閉的信號(hào)，封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖；接著就開(kāi)始檢測(cè)光伏電池的輸出電壓，在此過(guò)程需要注意的是，在光伏電池處于充放電時(shí)，檢測(cè)得到的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，需要連續(xù)檢測(cè)電壓兩次；在確定電壓值滿(mǎn)足條件后，就要確定光伏電池的初始工作點(diǎn)，在開(kāi)路電壓的80%左右，并且開(kāi)啟主電路，在一段時(shí)間后，系統(tǒng)將會(huì)穩(wěn)定在假設(shè)的工作點(diǎn)，然后給她一個(gè)步長(zhǎng)，讓工作點(diǎn)降低，隨后就可以用電導(dǎo)增量法來(lái)達(dá)到目的［3］.

6 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的有效性，設(shè)計(jì)MPPT實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在有太陽(yáng)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，用紙板擋住光照，模擬光照強(qiáng)度突變，可以看出系統(tǒng)的效果，曲線(xiàn)如圖9所示.由圖可知，在時(shí)間為15s時(shí)將紙板遮擋撤離，模擬光照強(qiáng)度突然增強(qiáng)，系統(tǒng)仍然能夠快速跟蹤到新的最大功率點(diǎn)，而且穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近擾動(dòng).

圖9 MPPT實(shí)驗(yàn)結(jié)果

7 結(jié)論

本文提出了一種以DSP28335為控制芯片，Boost變換器為核心的MPPT控制系統(tǒng).從分析結(jié)果可知，由TMS329F28335DSP來(lái)控制整個(gè)MPPT系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，效率高.

［1］ Stefan Krauter.Solar electric power generation－pv energy system［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：：5－12.

［2］ 劉樹(shù)林，劉 健，楊銀玲，等.Boost變換器的能量傳輸模式及輸出紋波電壓分析［J］.中國(guó)電機(jī)學(xué)報(bào)，2006，26（5）：119－125.

［3］ 張雄偉，陳 亮，許光輝.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.