一种太阳能电池MPPT控制器实现及测试方法的研究(20180814105056)

? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net本文于 2002 年 8 月收到 。 欧阳名三 :副教授 ,在职博士 ;余世杰 :教授 ,博导 ;沈玉 :教授 ,博导 。一种太阳能电池 M PPT 控制器实现及测试方法的研究欧阳名三 余世杰 沈玉 (合肥工业大学教育部光伏工程中心 ,合肥 230009)【摘要】 本文根据太阳能电池的特性 ,设计了一种基于 “电压扰动法” 的太阳能电池最大功率点跟踪 (MPPT)控制器 ,并提出了一种简单 、 实用的模拟太阳能电池对控制器进行测试的方法 ,理论证明该方法是可行的 ,并得到实际验证 。 在此实验方法下 ,对设计的 MPPT 控制器进行测试 ,结果表明它有较好的跟踪性能 。关键词 :MPPT 控制器 太阳能电池 测试方法Implementation of MPPT Controller in PhotovoltaicArray and Research of Testing MethodMingsanOuyang Shijie Yu Yuliang Sheng(Centerof Photovolatic Engineeringof Minister of Education HeFei Universityof Technology)Abstract : According to the characteristicsof photovoltaic (PV) array, a controllerwith PV arraymaxi2mumpowerpoint tracing (MPPT) is designed, which is basedon“ voltage harassing” method. And a testingmethodfor this controller is proposed, which is simple and practical , and can simulatesome specialitiesofPV array. It is proved that the proposedmethodis right theoretically and is availablepractically. The de2signedcontroller is tested using the method. The result indicates it hasbetter performancefor MPPT.Keywords : MPPT controller,photovoltaic(PV) array,testing- method.1 引 言随着绿色能源利用的日益被人们重视 ,太阳能的光伏利用更是在世界各国方兴未艾 ,在光伏控制技术上 ,由于 CVT (恒定电压跟踪器 ) 的制造相对简单 ,许多产品仍然采用这种跟踪方式以代替相对复杂一些的 MPPT(最大功率点跟踪 ) ,但这种方式所带来的功率损失相比于近代微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价 ,已经显得很不经济 [1 ] 。 因此在光伏应用中 ,增加具有太阳能 MPPT功能的控制能有效提高能量传输效益 ,是光伏利用技术上的提升 。由于光伏电池 (太阳能电池 ) 特性受光照和温度影响 ,直接利用它进行实验 ,则时间长 ;利用人为建立环境 (要求人工可变光源 、 制冷 、 制热空调等 )或购买光伏电池模拟器则费用高 [2 ] 。能用一种简单的方法模拟实现光伏电池功能 ,使 MPPT控制器得到验证 ,将为光伏技术快速发展提供条件 。第 18 卷 第 2 期 电子测量与仪器学报 Vol118 No12JOURNAL OF EL ECTRONIC? 30 ? MEASUREMENT AND INSTRUMENT Jun1 2004? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net2 太阳能电池的光伏特性 [3 ]图 1 太阳能电池的伏安特性光伏电池由于其受外界影响因素 (温度 、 光照等 ) 很多 ,且其输出具有非线性特性 ,如图 1 的伏安 (电压 - 电流 ) 特性和图 2 的伏瓦 (电压- 功率 ) 特性 。从特性曲线看 ,CVT 是不能满足太阳能电池在各种日照和温度下的最大功率输出 ,特别是温差较大时 ,CVT 控制将有较大的能量没被利用 ,如图 2(b) 中虚线所指示 ,如电压取在高温时最大功率点处的值 (U = 360v) ,则在低温时输出时 ,要损失约 30 %的能量 ;取低温时的电压值 (U = 510v) ,在高温时 ,则损失 100 %。图 2 太阳能电池的伏瓦特性3 MPPT 控制器的实现 为实现 MPPT 功能 , 采用输出功率比较法 (电压扰动法 ) [4 ] [5 ] , 原 则 是 电 压的变化是始终让太阳能输出功率朝大的方向改变 。 即首先让太阳能电池以某个电压输出 ,测得其输出功率 ,然后在这个电压基础上增加或减少一定幅值 ,再测量输出功率 ,比较测得的两个功率值 ,按照以上原则决定下次输出电压是增加或是减少 。 控制流程框图如图 3 所示 。采用 Motorola68908JK3 型单片机中两路 AΠ D 输入通道分别作为太阳能电池输出电压和电流的采集通路 。 电流的传感器采用分流器 ,电压采用电阻分压 。但要注意分流器和分压电阻要共地 ,最好它们的地就是太阳能电池的负极 。 由于要控制太阳能电池的输出功率 ,同时被控制器件或物理量不同 ,单片机根据计算 、 比较功率的变化从其 PWM 口输出一个变化的 PWM 波 。这个PWM 波可以直接用于控制开关器件 ,也可以经低通滤波得到一直流电压 ,用于作为控制信号给定 ,来使光伏电池的输出电压发生变化 ,从而使输出功率产生变化 ,达到调节的目的 。4 测试方法研究4. 1 实验模型的建立根据光伏电池伏安特性表达式 [6 ] :第 2 期 一种太阳能电池 MPPT控制器实现及测试方法的研究 ? 31 ?? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图 3 MPPT控制流程框图I = IL - I O {exp[ q (V + IRS )AKT ] - 1} - V + IRSRsh(1)式中 I 、 V — — — 输出电流、 电压 ;IL — — — 光电流 ,受温度和光照的影响 ;IO — — — 反向饱和电流 ;q — — — 电子电荷 ;K — — — 玻耳兹曼常数 ;T — — — 绝对温度 ;A — — — 二极管特性因子 ;RS — — — 串联电阻 ;Rsh — — — 并联电阻。当光照与温度都不变时 ,I L 和 IO 也就不会改变 ,对 (1) 式两边对 I 求导 ,整理得 :dVdI = Rs/ {1 +IO qAKTexp[q (V + IRS )AKT ] +1Rsh } - RS可以看出 ,dVΠ dI 不是一个常数 ,它受到输出电流 、 电压的影响 。 因此可看成一个内阻变化的直流电源 ,因而设计的实验电源要能改变内阻 ,并能在负载上反映出最大输出功率 。图 4 实验原理图为此 ,实验采用一直流电源加滑线电阻模拟太阳能电池 ,一个可控输出的 DCΠ DC 变换器 (BUCK 电路 ) ,可变电阻负载 ,实验电路框图 4。4. 2 实验及结果按照图 4 接线 ,MPPT 控制器输出给 DCΠ DC 变换器的控制端 ,检测 a、 b 点的电压 。实验通过改变负载电阻 、 电源串联电阻和电源电压来观察 MPPT的跟踪效果 。测得实验数据如表 1 (初始状态是电源电压为 50v ,电源串联电阻 W1 为 72Ω 。负载电阻W2 为 36Ω ) 。表 1 实验结果检测点状态 初 始 W1 = 46ΩW2 = 36ΩW1 = 72ΩW2 = 20ΩW1 = 36ΩW2 = 20ΩW1 = 72Ω ,W2 = 36Ω改变 a 点电压 = 60v电源电压 ( v) (a 点 ) 50 50 50 50 60负载电压 ( v) (b 点 ) 25～ 26 24. 5～ 26 24. 8～ 26. 2 25～ 26 29. 7～ 30. 64. 3 测试方法及实验结果分析从表可知 ,测得负载电压基本在电源电压的一半 ,从下分析可以看出这正好说明了是 MPPT起的作用 。首先将上述实验电路简化成如图 5 (a) ,对于图 5 (a) 中虚线框中内容可以看成一个负载 ,将它简化成图 5(b)中的 W2’ ,实际上这里的 DCΠ DC 变换器起的是一个阻抗变换器的作用 。 图 5(b)中的虚线框等效光伏电池 。这样我们再来分析图 5( b) 电路 ,为实现在负载 W2’ 上取得最大功? 32 ? 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2004 年? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net率 ,采用最优法来求解 :在 W2’ 取得的功率为P = ( VsW1 + W2′ ) 2 3 W2′上式对 W2’ 求导得dpdw2′ = (VsW1 + W2′ )2 + 2 3 W2′ ( VsW1 + W2′ ) [- Vs( W1 + W2′ ) 2 ]化简dpdw2′ = (VsW1 + W2′ )2 (1 - 2 3 W2′W1 + W2′ )令 dpdw2′ = 0求得 W2’ = W1 ,即在 W2’ = W1 时 ,在 W2’ 上的功率 P 取得极值 ,也即当外部电阻等于电源内阻时 ,在外部电阻上可以得到最大功率 。图 7 MPPT控制器在模拟器上跟踪指示图再回到图 5 (b) 的电路上看 ,当 W2’ = W1 时 ,b 点的电压正好等于 a 点的一半 ,这证明了实验结果的正确性 。实验结果中 b 点的电压是在一定范围变化 , 是因为 MPPT控制器利用扰动法在不停地搜寻 ,以至其在最大功率点附近摆动 。 按照光伏电池的伏瓦特性 ,MPPT控制器模拟出如图 6所示的跟踪过程 。5 验 证将用上述测试方法实验过的控制器 ,在太阳能电池数字式模拟器 [2 ] 上实验 ,控制器能很好地跟踪太阳能电池的最大功率点 ,图 7 显示的是 MPPT控制器在模拟器上实验时 ,正在最大功率点附近的跟踪情况 。第 2 期 一种太阳能电池 MPPT控制器实现及测试方法的研究 ? 33 ?? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net6 结 语设计的 MPPT控制器实验证明是能实现光伏电池的最大功率点输出控制功能 。而 MPPT控制器测试方法从理论上证明是有效的 ,其测试的结果也在模拟器上得到证实 。 这种测试方法 ,只要读取两个点的电压值就能验证 MPPT控制器的跟踪性能 ,具有简单 、 实用的优点 。参 考 文 献[1 ]余世杰等 ,光伏水泵系统中 CVT 及 MPPT 的控制比较 [J ] ,太阳能学报 Vol. 19 No. 4 1998. 10 :94 - 98.[2 ]苏建徽等 ,数字式太阳电池阵列模拟器 [J ] ,太阳能学报 Vol. 23 No. 1 2002 :111 - 114.[3 ]京特 ,莱纳等著 ,余世杰等译 ,太阳能的光伏利用 [M] ,合肥工业大学 1991. 9.[4 ]C. Hua , J. Lin , and C. Shen, implementation of a DSP - controlled photovoltaic systemwith peak power tracking [J ] IEEETrans. Ind. Electron , Vol. 45 , Feb. 1998 :99 - 107.[5 ] Eftichios Koutroulis al. Development of a Microcontroller - Based , Photovoltaic Maximum Power Point Tracking ControlSystem [J ] IEEE Trans. Power Electronics , Vol. 16 , No. 1 , Jan. 2001 :46 - 54.[6 ]苏建徽 ,余世杰 ,沈玉 等 . 硅太阳电池工程用数学模型 ,太阳能学报 Vol. 22 No. 4 Oct. 2001 :409 - 412.作 者 简 介欧阳名三欧阳名三 :男 ,1967 年出生 ,分别于 1989 年和 1992 年取得安徽理工大学自动化专业本科和安全技术硕士文凭 ,2000 年考取合肥工业大学电力电子与电力传动专业在职博士 。 2000 年晋升为副教授 。 工作在安徽理工大学电气系 ,研究方向为电力电子与电力传动 ,光伏利用 ,发表科研和教学论文 10 余篇 。余世杰 :男 ,1935 年出生 ,教授 ,博导 ,中国太阳能学会理事 ,研究方向为电力电子与电力传动 ,光伏利用及发展 。沈玉 :男 ,1948 年出生 ,教授 ,博导 ,研究方向为电力电子与电力传动 ,光伏利用及发展 。? 34 ? 电 子 测 量 与 仪 器 学 报 2004 年