基于MSP430F149的光伏MPPT控制器的设计

2009 年 8 月第 8 期电 子 测 试EL ECTRON IC TESTJul. 2009No. 873 基于 MSP430F149 的光伏 MPPT 控制器的设计郝亮 ,孟立凡 ,吴慧飞 ,王华斌 ,刘学娜 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051 摘 要 本文介绍了一种采用超低功耗单片机 MSP430F149 控制系统来实现太阳能光伏电池最大功率点跟踪的精简设计 ,在这个设计中提出来采用变步长扰动分析法来实现 MPPT 的控制 ,并分析和比较了 Buck 和 Boost 电路的优缺点 ,然后采用 Boost 电路结合 MSP430F149 单片机完成了 MPP T 控制器的设计 。 最后 ,采取模拟实验的方法对控制器的功能进行了验证 。 结果表明 ,该设计不但电路设计简单 ,软硬件结合 ,控制方法灵活 ,而且能够有效的完成最大功率跟踪的目的 。关键字 MSP430F149 ,DC2DC 转换电路 ,模拟实验 ,最大功率跟踪中图分类号 TP216 文献标识码 BNew Research of photovoltaic system method for the maximum powerHao Liang , Meng Lifan , Wu Huifei , Wang Huabin , Liu Xuena Key Laboratory , Instruments Science and Dynamic Measurement Ministry of Education , North University of China ,Taiyuan 030051 , China Abstract This paper introduces the method which uses the ultra low 2power si ngle2chipMSP430F149 cont rol system to realize PV’ s M PPT. M PPT is implemented through the varia2ble2step pert urbation analysis method , and the advantages and disadvantages of the Buck circuitand Boo st circuit are analyzed and comprised in t his paper. Then t he aut hor completes t he de2sign of the M PPT cont roller through the combinatio n of Boo st circuit and MSP430F149MCU. At last , the f unction of cont roller is tested by mock experiment. The result shows thatthis design not only has simple circuit design and flexible cont rol met hod , but also can achievethe target of maximum power point tracking effectively.Key words MSP430F149 , DC2DC conversion circuit , mock experiment , MPP T0 引 言光伏系统工作时 ,太阳能电池在一定的温度和日照强度下具有唯一的最大功率点 ,当太阳能电池工作在该点时能输出当前温度和日照条件下的最大功率 。 但由于太阳能电池的输出特性受负载状态 、 日照量环境温度等因素的影响 ,太阳能电池阵列的电压和电流均发生很大的变化 ,从而使输出功率不稳定 ,即最大功率点时刻在变化 ,导致光伏系统效率降低 。 另外 ,由于太阳能电池的输出特性是复杂的非线性形式 ,难以确定其数学模型 ,所以无法用解析法求取最大功率 。因此如何进一步提高太阳能电池的转换效率 ,充分利用光伏阵列所转换2009. 8 Test Tools 当日照强度增加时 ,太阳能电池的开路电压变化不大 ,短路电流增加 ,最大输出功率增加 . 在一定的温度和日照强度下 ,太阳能电池具有唯一的最大功率点 ,当太阳能电池工作在该点时 ,能输出当前温度和日照条件下的最大功率 。图 1 太阳能电池的输出特性曲线2 Buck 变换器与 Boost 变换器用于最大功率跟踪的分析由于 Buck 电路的输入端工作在断续状态下 ,若不加入储能电容 ,则光伏电池的工作时断时续 ,不能处于最佳工作状态。 加入了储能电容后 ,Buck 电路功率开关断开时光伏电池对储能电容充电 ,使光伏电池始终处于发电状态 ,此时调节 Buck 电路占空比才能有效跟踪最大功率点 ,因此储能电容对于利用Buck 电路实现 MPPT 功能是必不可少的。 然而在大功率情况下 ,储能电容始终处于大电流充放电状态 ,对其可靠工作不利 ,同时由于储能电容通常为电解电容 ,使 Buck 电路无法工作在更高的频率下 ,增大了 MPPT 装置的体积 ,使整个系统变得笨重。相比之下 ,Boost 变换器可以始终工作在输入电流连续的状态下 ,只要输入电感足够大 ,则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流 ,因此只需加入容量较小的无感电容甚至不加电容 ,避免了加电容带来的种种弊端。 同时 ,Boost 电路非常简单 ,并且由于功率开关管一端接地 ,其驱动电路设计更为方便。 因此 ,我们选择 Boost 电路作为转换电路。3 Boost 电路原理Boost 转换电路是输出电压 V o 高于输入电压V in 的单管不隔离直流变换器 ,原理图如图 2 所示 。从图 2 可以看出 ,电路的主要元件有 开关管 Q 、 二极管 D 、 电感 L 和电容 C。 V on 为电源电压 ,R 为负载电阻 ,V o 为输出电压 。图 2 Boost 电路的原理图 2 为开关管处于导通和截止状态时的等效原理图 。测试工具与解决方案 2009. 875 图 3 升压式 DC2DC 转换电路的等效原理图从图 3 可看出 ,在开关管导通时 ,电源给储能元件电感充电 ,L f 上的电流逐渐增大 ,而在开关管截止时电感放电 ,Lf 上的电流逐渐减小 。 电容起滤波作用 ,使负载上的电压的纹波减小 。 图 4 显示了电感 Lf 电流的变换波形和电压波形 。图 4 升压式 DC2DC 转换电路的输出波形稳定时 ,Boo st 电路输入输出的电压关系为 V o V in / 1 - D因此 ,当 Boost 电路的输入端电压 V in 在 0～V oc之间变化 。只要光伏电池具有合适的开路电压 ,通过改变 Boo st 变换器的 D ,就能找到与光伏电池最大功率点对应的 V in 值 ,此时光伏电池输出功率最大 。4 MPPT 电路的实现硬件部分的框图如图 5 所示 ,它采用脉宽调制的方法 ,利用内部开关管工作在开关状态将太阳能电池输出的直流信号变换成一个有可变占空比的方波信号来改变太阳能电池阵列的等效负载 . 在这里 ,内部开关管与太阳能电池串联 ,系统所使用的单片机为 TI 公司生产的 MSP430F149 单片机 [ 7 ] .它具有功能强 ,超低功耗的优点 。它运行在 1M Hz的条 件 下 工 作 电 流 视 工 作 模 式 不 同 为 0. 1 ～400uA ,工作电压为 1. 8V ～ 3. 6V ,而且系统工作有多种低功耗模式 ,当系统处于低功耗模式时 。系统唤醒只需 6us 。片内带有精密模拟比较器 ,硬件乘法器 ,看门狗和 64 K 的 Flash 等 ,另外它还有 2 个带有大量捕捉 / 比较模块 16 位定时器 ,每个模块都可以实现 16 位脉宽调制功能 ,自带 12 位 A/ D ,使得外部扩展电路少 。系统的开关管使用 IRF540 ,在采样电路中电压信号采集使用霍尔电压传感器VSM025A ,电流 信号 采集使 用霍 尔 电 流 传 感 器CSM020C G ,开关管的驱动采用 TL P250. 单片机根据所得功率的变化情况 ,输出一个频率为 16 k Hz赫兹的 PWM 波 ,来控制开关器件 。图 5 MPPT 硬件部分的框图5 MPPT 算法及单片机软件的实现由于 MSP430F149内部集成了硬件乘法器 ,所以单片机在对测量出来的电压和电流进行计算时 ,只需编制除法子程序 ,这大大提高了程序的执行效率。 又因为 DC2DC 转换电路是通过单片机输出的 PWM 脉冲控制开关管的 ,因此在程序中最终是对 PWM 输出2009. 8 Test Tools Solution76 的占空比进行调节。 主程序的流程图如图 6 所示。图 6 主程序流程图6 模拟实验和结论由文献 [ 1 ] 我们可以得到 ,当一个内阻不为零的电源和负载相连时 ,当负载的电阻值和电源内阻值相等时即电源输出电压等于电源额定电压的 1/ 2 时 ,负载上获得最大功率 。因次为了验证所设计的 最大 功 率 跟 踪 器 的 功 能 , 本 模 拟 实验 [ 1 ] 采用一个直流电源和一个滑线电阻模拟太阳电池和其 内阻 ,并 使 用 一 个 滑 线 电 阻 作 为 负载 。按照图 7 接线 ,M PPT 控制器输出给 DC/ DC变换器的控端 ,检测 a ,b 点的电压 。 实验通过改变负载电阻 、 电源串联电阳和电源电压来观察 M PPT的跟踪效果 。 测得实验数据如表 1 初始状态是电源电压为 40V ,电源串联电阻 R1 为 40Ω 。负载电阻 R2 为 20Ω 。状态检 测 点初值 R1 48R2 32R1 68R2 15R1 40 ,R2 20改变 a 点电压为 80VR1 60R2 10电源电压 a 点 40 40 40 80 80负载电压 b 点 19. 5～ 20. 6 19. 7～ 20. 6 19～ 21 39. 8～ 40. 5 39. 1～ 40. 8测得数据表明 ,当负载或开路电压发生变化时 ,M PPT 控制器总能够调节电路的等效阻抗 ,使负载的等效电阻和电源内阻相等 ,进而负载上获得最大功率 。结论 采用 MSP430F149 单片机设计的 M PPT控制器 ,不但能够跟踪到光伏电池的最大功率 ,而且单片机所自带的 12 位 A/ D 、 硬件乘法器和多时钟系统 ,可以很好的减小控制器的体积 ,降低控制器自身的功耗 ,提高程序的执行效率 。目前 ,最大功率点跟踪技术一般用在较大的光伏系统或电站 .测试工具与解决方案 2009. 877 随着科技的进步和光伏市场的发展 ,为了有效的利用太阳能 ,最大功率点跟踪技术必将在光伏系统中广泛应用 ,将会取得较大的经济和社会效益 。参考文献[ 1 ] 欧阳名三 ,余世杰 ,沈玉良 . 采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器 [J ]. 电子技术 ,2002 , 29 12 492 51.[ 2 ] 赵征鸣 ,等 . 太阳能光伏发电及其应用 [ M ]. 北京 科学出版社 ,2005.[ 3 ] 胡大可 . MSP430 系列 Flash 型低功耗 16 位单片机[ M ]. 北京 北京航空航天大学出版社 ,2002 18219.[ 4 ] 李建 ,姚雪梅 ,夏东伟 . 一种改进干扰观察法的仿真研究 [J ]. 杭州电子科技大学学报 ,2008 12 1242126.[ 5 ] 石新春 ,张玉平 ,陈雷 . 一种基于超级电容器储能的光伏控制器的实现 [J ]. 现代电子技术 ,2008 21 135 2136.[ 6 ] 崔岩 ,蔡炳煌 ,李人勇 ,等 . 太阳能光伏系统 MPPT 控制算法的对比研究 [J ]. 太阳能学报 ,2006 , 27 6 5352539.[ 7 ] 时剑 , 单春贤 , 童红 , 方攀 . MCU 控制的太阳能电池最大功率跟踪控制器 [J ]. 电力电子技术 , 200811 .[ 8 ] 何薇薇 , 杨金明 . 太阳能光伏发电最大功率跟踪系统研究 [J ]. 电力电子技术 , 2008 08 .作者简介郝亮 ,男 ,硕士研究生 ,主要研究方向为测试技术及仪器 。E2mail haoliang200808 163. com孟立凡 ,教授 ,硕士生导师 ,主要研究方向为现代传感技术 。上接第 69 页 参考文献OPA603 [ S]. 1995.[ 8 ] Hewlett Packard Company. HP 54600A 和HP54601A 数字存储示波器使用者及维修手册 [ S ]. 1991 116.作者简介汉泽西 ,1982 年毕业于西安交通大学信息与控制工程系无线电技术专业 。现为西安石油大学电子工程学院教授 ,硕士研究生导师 ,多年从事测试计量技术与仪器的教学和科研工作 。E2mail zxhann sina. com张海飞 ,现为西安石油大学电子工程学院测试计量技术及仪器 2007 级硕士研究生 ,研究方向为电磁测量技术及仪器 。E2mail zhf214 126. com