基于DSP的光伏电池最大功率点跟踪系统

摘要：太阳能光伏阵列的输出特性受外界环境的影响具有强烈的非线性，为了提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。本文通过对太阳能电池伏安特性的分析，采用自适应扰动观察算法，基于TMS320F2812设计了MPPT控制系统。实验结果表明，在此算法控制下，系统能够准确地跟踪最大功率点。
关键词：光伏电池；最大功率跟踪；最大功率点跟踪；TMS320F2812

O 引言
    随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点。光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题。光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。为了解决该问题，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。目前，光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点。
    高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用TI公司生产的TMS320F2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。

1 光伏电池的特性
    太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的I-V、P-V特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的I-V、P-V特性。

    从图2可以看出，太阳能电池开路电压V0。主要受电池温度的影响；从图3可以看出，太阳能电池短路电流Is。主要受日照强度的影响，而且在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率输出点。由于实际应用中不能保证其总是工作在最大功率点上，所以在应用中要用到MPPT装置，以保证太阳能电池的输出功率在最大功率点的附近。

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2 MPPT基本原理
    MPPT的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比较，如此周而复始。MPPT控制系统的DC-DC变换的主电路采用Boost升压电路。图4为Boost变换器的主电路，电路由开关管T、二极管D、电感L、电容C组成。工作的原理为在开关T导通时，二极管D反偏，太阳能电池阵列向电感L存储电能；当开关T断开时，二极管导通，由电感L和电池阵列共同向负载充电，同时还给电容C充电，电感两端的电压与输入电源的电压叠加，使输出端产生高于输入端的电压。Boost电路输入输出的电压关系为：     V0=VI／(1-D) (1)

    当Boost变换器工作在电流连续条件下时，从式(1)可以得到其变压比仅与占空比D有关而与负载无关，所以只要有合适的开路电压，通过改变．Boost变换器的占空比D就能找到与太阳能电池最大功率点相对应的VI。

3 MPPT控制的实现
3．1 控制算法
    目前实现太阳能MPPT常用的算法有扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)。前者的算法结构简单、检测参数少，应用较普遍，但在最大功率点附近，其波动较大；后者的算法波动较小，但较为复杂，跟踪过程需花费相当长的时间去执行A／D转换。
    系统采用自适应扰动观察法，通过对扰动观察法的改进，引进一个变步长参数λ(k)来解决在最大功率点附近波动大的问题，其中λ(k)=ε|△P|式中ε是一个恒定的常数，自适应扰动观察法的程序流程图如图5所示。图中e决定了跟踪精度，λ(k)为占空比步长，决定功率变化的步长，η为扰动方向控制系数，取值为1。当|△P|<e时，认为系统已经达到最大功率点附近，λ(k)的值将自动调节变小来满足动态调节步长的要求。

3．2 硬件实现
    控制电路使用TI公司的TMS320F2812 DSP作为主控制芯片，其快速的运算能力、丰富的外设资源能为整个控制系统提供一个良好的平台。DSP是整个控制系统的核心，它接受采样电路送来的模拟信号，按照控制算法对采样信号进行处理，然后产生所需要的PWM波形，经驱动放大后控制主电路功率开关管的通断，从而实现MPPT。TMS320F2812在时钟频率150MHz下，其时钟周期仅为6．67ns，8通道16位PWM脉宽调制，2×8通道12位A／D转换模块，一次A／D转换最快转换周期仅为200ns。TMS320F2812 DSP芯片的这些特点能够满足MPPT控制精度和速度的要求。
    采用其中两路A／D转换输入通道作为太阳能电池的输出电流和电压的采集通道，经过MPPT控制产生驱动PWM波形控制DC-DC开关管的导通时间，其控制的框图如图6所示。

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3．3 软件实现
    MPPT的控制流程图如图5所示，其功能是在中断服务模块中完成的。在主程序中主要是完成对寄存器，定时器以及PWM的初始化，其流程图如7所示。

4 实验结果分析
    为验证MPPT系统的有效性，设计了MPPT实验系统，并与无此装置下光伏电池的发电状态进行比较。实验系统的太阳能电池采用大禾科技有限公司的多晶硅电池组件DH-20，其性能参数为：开路电压Voc=21．5v；短路电流Isc=1．30A；标称功率PM=20W，蓄电池为24V／12Ah铅酸蓄电池。实验结果见表1。由实验数据可知，接入MPPT装置后，光伏电池的输出功率有了显著提高。

5 结论
    提出了一种利用DSP控制的，以Boost变换器为核心，以铅酸蓄电池为负载的MPPL系统。详细分析了MPPT的原理，并对该系统进行了实验研究。实验结果表明，采用TMS320F2812 DSP芯片控制的MPPT系统实现了光伏电池最大功率跟踪，电路结构简单、可靠性好、效率高，且具有针对蓄电池过充、过放、逆变输出过流等异常情况的多种保护作用，因而具有一定的实用价值。