吳中山

(南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

光伏電池在應(yīng)用中的轉(zhuǎn)換效率較低且價(jià)格昂貴，目前應(yīng)用較普遍的光伏電池轉(zhuǎn)換效率約為10 %～20 %[1]。如果考慮后級(jí)逆變器轉(zhuǎn)換效率，那么整個(gè)光伏系統(tǒng)的利用效率將會(huì)更低。因此，如何充分利用光伏電池，成為了光伏的最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking,MPPT)解決的問題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于光伏MPPT的研究較多：研究光伏電池參數(shù)估計(jì)、研究擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)、結(jié)合智能算法的MPPT等，但大多都停留在仿真階段，實(shí)現(xiàn)并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并不多。

由于常規(guī)擾動(dòng)觀察(perturbation and observation，P&O)法步長(zhǎng)固定，存在動(dòng)態(tài)跟蹤速度快和穩(wěn)態(tài)跟蹤準(zhǔn)確度高的矛盾[2]。對(duì)此，本文采用歸一化思想利用反正切函數(shù)提出一種變步長(zhǎng)策略。設(shè)計(jì)了一種光伏MPPT系統(tǒng)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：提出的方法能夠提高光伏電池的利用率，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

不同環(huán)境光伏電池的I-U近似特性表達(dá)式為[3]

(1)

式中C1,C2為常量參數(shù)，與標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流、最大功率點(diǎn)電壓有關(guān)；ISC,UOC分別為標(biāo)準(zhǔn)條件下的短路電流、開路電壓；ΔU,ΔI為不同環(huán)境下的修正量，與光照強(qiáng)度和溫度有關(guān)。

2 MPPT原理及擾動(dòng)觀察法的改進(jìn)

2.1 MPPT電路原理

MPPT電路原理是[4]:當(dāng)負(fù)載電阻值與電源內(nèi)阻值相等時(shí)，負(fù)載上得到最大功率。但負(fù)載電阻值很難改變，且光伏電池的輸出特性表現(xiàn)為強(qiáng)非線性，即內(nèi)阻值變化?？稍谥虚g加入一級(jí)直流轉(zhuǎn)直流(direct current to direct current,DC-DC)變換器，如圖1，此時(shí)等效負(fù)載電阻值為R'L，R'L與DC-DC的占空比有關(guān)，通過控制占空比改變等效電阻值，使其逼近電源內(nèi)阻值，獲最大功率。

圖1 含DC-DC的電路

2.2 歸一化變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

圖2(a)為固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法[5]標(biāo)準(zhǔn)條件下功率曲線。注意到光伏電池功率曲線具有單峰特點(diǎn)，ΔP/ΔU與占空比的改變方向相同，當(dāng)位于最大功率點(diǎn)左邊時(shí)符號(hào)為正，位于最大功率點(diǎn)右邊時(shí)符號(hào)為負(fù)。則本文占空比增量策略為

ΔD=A·2/π·arctan(ΔP/ΔU)

(2)

式中A為步長(zhǎng)最大值,ΔP=P(i)-P(i-1),ΔU=U(i)-U(i-1)。

運(yùn)用歸一化思想，借助反正切函數(shù)將占空比增量的值域歸一化到[-A,A]。運(yùn)行過程中步長(zhǎng)將在-A到A之間變化，不再是固定值，同時(shí)也限制了步長(zhǎng)最大值為A。運(yùn)用Simulink中S函數(shù)進(jìn)行仿真該策略，A值與圖2 (a)的固定步長(zhǎng)值相等，得標(biāo)準(zhǔn)條件下圖2(b)曲線，可以看出：改進(jìn)算法能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，穩(wěn)態(tài)后基本未出現(xiàn)振蕩。

圖2 擾動(dòng)觀察法改進(jìn)前后對(duì)比

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率的輸出，數(shù)字信號(hào)處理器(digital signal processor,DSP)必須不斷地對(duì)光伏陣列輸出的電壓電流進(jìn)行采樣，送入軟件控制算法計(jì)算后改變輸出的PWM占空比，從而控制Boost轉(zhuǎn)換電路。同時(shí)，DSP將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過RS—232不斷發(fā)送給PC存儲(chǔ)，以便后期繪制曲線和分析，掌握最大功率點(diǎn)的跟蹤情況。本系統(tǒng)硬件電路主要由4個(gè)部分組成，DSP控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、采樣電路、Boost電路。整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 MPPT控制系統(tǒng)框圖

3.2 硬件設(shè)計(jì)

3.2.1 Boost電路

Boost電路如圖4所示，利用電感儲(chǔ)存的能量和電源一起向負(fù)載供電，從而達(dá)到升壓的目的。電感、電容值為[6]

(3)

式中D為占空比；Um，Im為光伏電池標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)電壓和電流；r為紋波系數(shù)；f為脈寬調(diào)制(pulse width modulation,PWM)的頻率。

圖4 Boost電路結(jié)構(gòu)

本文Um=18 V，Im=2.2 A，r=5 %，f=20 kHz。又系統(tǒng)后期給24 V蓄電池充電，D=(24-18)/24=0.25?？傻?，Lmin=1 mH，Cmin=18 μF，取電感值2 mH，電容值27 μF。

功率開關(guān)管選擇IRFP250N，其導(dǎo)通延時(shí)為25 ns，關(guān)斷延時(shí)為60 ns，響應(yīng)快，額定電壓達(dá)到200 V。二極管選擇MUR3020PT，其反向擊穿電壓能達(dá)到200 V。

3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路由帶隔離光耦HCPL—3120組成，帶載能力強(qiáng)，常用于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar translator,IGBT)的門級(jí)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電路原理如圖5所示。為了保證光耦有10 mA電流可靠導(dǎo)通，取R7=274 Ω,R9=10 Ω。

圖5 驅(qū)動(dòng)電路

3.2.3 采樣電路

采樣電路如圖6，由霍爾電流傳感器(HBC—PS3.3)、電壓傳感器(HBV025A)和必要電路組成，用于測(cè)量光伏電池兩端輸出電壓電流，數(shù)據(jù)送入DSP處理。其中HBC—PS3.3的1引腳、HBV025A的3引腳接DSP的AD輸入引腳。

圖6 采樣電路

3.3 軟件設(shè)計(jì)

程序的流程如圖7所示，其中e為設(shè)置的一個(gè)閾值，為了避免接近最大功率后仍有振蕩。首先通過采樣電路檢測(cè)光伏陣列的輸出電壓電流，計(jì)算ΔP和ΔU；判斷ΔP的絕對(duì)值是否小于閾值e：若小于，則占空比不變；若大于，則按照式(2)計(jì)算占空比變化量，更新占空比。

圖7 程序流程

按照流程基于TMS320F28335進(jìn)行代碼開發(fā)。

4 實(shí) 驗(yàn)

環(huán)境參數(shù)：太陽(yáng)光照強(qiáng)度641 W/m2，溫度為29 ℃，在短時(shí)間內(nèi)視為不變。采用Bosin型號(hào)為BX—F40W太陽(yáng)能板，標(biāo)準(zhǔn)條件下參數(shù)為：UOC=22 V，ISC=2.37 A，Um=18 V，Im=2.2 A。負(fù)載為100 Ω的功率電阻器，采樣周期約為100 ms。

實(shí)驗(yàn)得到2組數(shù)據(jù)，截取前面部分?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB繪制如圖8所示曲線,可以看出，采用了歸一化擾動(dòng)觀察法的MPPT算法后太陽(yáng)能板輸出了更多的功率，功率輸出約13.5 W，而將環(huán)境參數(shù)和太陽(yáng)能板參數(shù)代入模型，可得到最大功率應(yīng)該在14.5 W左右。其中損失的1 W功率主要是由于電路中開關(guān)管和二極管等的損耗。最后穩(wěn)定的功率值仍有不超過0.5 W波動(dòng)，原因是太陽(yáng)光照強(qiáng)度是連續(xù)變化的，在短時(shí)間內(nèi)也不是恒定的，從而引起輸出功率的變化。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

5 結(jié) 論

本文研究了光伏電池MPPT的基本原理，在擾動(dòng)觀察法基礎(chǔ)上提出了歸一化變步長(zhǎng)策略。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于TMS320F28335的光伏MPPT系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。本文為光伏MPPT系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種方案。