太阳能电池MPPT方法的初值问题及其实验研究

基金项目 ： 国家自然科学基金资助项目 （ 60874014）； 江苏大学高级专业人才科研启动基金项目 （ 09JDG010）定稿日期 ： 2009-09-01作者简介 ： 朱湘临 （ 1963- ）， 男 ， 湖南人 ， 高级工程师 ， 研究方向为电源技术与电力电子技术应用 。1 引 言太阳能电池是光伏发电系统的核心 和 关 键 部件 ， 其输出功率随太阳光强和电池温度的变化而变化 。 为了充分利用太阳能电池的输出能量 ， 最大限度发挥太阳能电池的效用 ， 必须使太阳能电池时刻工作在最大功率点 （ MPP）， 即需要采用最大功率点跟踪 （ MPPT） 技术 [1-2] 。目前太阳能电池 MPPT 控制算法有很多种 ， 最常用的有 [3-4] ： 恒定 电 压 跟 踪 法 （ CVT）、 扰 动 观 察 法（ P&O ） 和增量电导法 （ INC） 3 种 。 CVT 利用太阳能电池输出最大功率时工作电压 UPV 与开路电压 Uoc存在近似的比例关系 （ UPV＝ 0.76Uoc） 来进行控制 ， 它实际上是把 MPPT 控制简化为稳压控制 ， 近似地实现 MPPT； P&O 每隔一定的时间改变太阳能电池阵列的 UPV， 实时观察比较改变前后两点的输出功率值 ， 以调节电压的方向 ， 使其最终稳定在 MPP 附近 ； INC 通过比较太阳能电池阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号 ， 从而改变其输出电压 ， 达到最大功率点 。 与 P&O 相比 ， INC 计算准确 ， 功率损失少 ， 性能好 ， 效率高 ， 因此 ， 在大功率光伏发电系统应用中优势明显 。 此外很多研究人员还将神经网络控制 、 模糊控制以及滑模控制等先进控制方法应用于 MPPT 控制 [5] 。在研究各种 MPPT 算法时 ， 如何使太阳能电池快速 、 稳定地工作在 MPP， 一直是太阳能光伏发电系统的研究热点 。 基于 P&O 和 INC 的对比分析 ， 选用 INC 法来实现太阳能电池的 MPPT。 研究发现 ， 参考电压初 值 的 设 置 对 MPPT 跟 踪 速 度 有 较 大 的 影响 。 针对该问题 ， 提出在 MPPT 参数初始化程序中 ，按照 CVT 中 UPV 与 Uoc 的近似比例关系 ， 将参考电压初始值设定为 Uref＝ 0.76Uoc， 系统开机后能迅速跟踪到太阳能电池 MPP。 最后通过实验原理样机 ， 验证了所提方法的正确性 。2 太阳能电池 MPPT 原理太阳能电池输出伏安特性受光 强 和 温 度 的 影响 ， 且其输出功率与外接等效负载 RL 有关 。 当 RL 等于某一最佳负载时 ， 其输出功率达到最大 ， 此时太阳能电池工作在 MPP。 从电路匹配角度来看 ， 这就需要一个阻抗变换器 。 当环境条件变化时 ， 太阳能电池输出特性变化 ， 阻抗变换器可相应地调整 RL， 使之在不同的输出特性下均能工作在 MPP。阻抗变换器可采用一 Buck 变换器来实现 ， 如图 1所示 。 为便于电路分析和直观理解 ， 将太阳能电池用太阳能电池 MPPT 方法的初值问题及其实验研究朱湘临 ， 廖志凌 ， 刘国海（ 江苏大学 ， 江苏 镇江 212013）摘要 ： 阐述了采用最大功率跟踪控制 （ Maximum PowerPoint Tracking， 简称 MPPT） 的原因 ， 比较了几种 MPPT实现方法的优缺点 。 基于增量电导法 （ Incremental Conductance， 简称 INC） 研究了 MPPT 参考电压初值的设置方法 ， 提出在MPPT 参数初始化程序中 ， 将参考电压初值设定为当前光强和温度对应的开路电压的 76%， 可使系统开机后能快速跟踪到太阳能电池最大功率点 。 最后通过原理样机验证了所提 MPPT初值设置方法正确性和有效性 。关键词 ： 太阳能电池 ； 最大功率点跟踪 ； 初值中图分类号 ： TM914.4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1000-100X （ 2010） 02-0007-03Research on the Initial Values of MPPT Algorithm for Solar CellZHU Xiang-lin ， LIAO Zhi-ling ， LIU Guo-hai（ Jiangsu University， Zhenjiang 212013， China）Abstract ： This paper introduces the reason of maximum power point tracking（ MPPT） and compares the ways to realizeMPPT such as CVT， P&O， and incremental conductance（ INC） .Based on the INC， a novel method which choosesthe initialreference voltage of MPPT is proposed.In the parameterinitialization program of MPPT， the initial reference voltage， whichis set as 76% of the open-circuit voltage correspond to the real-time irradiation and temperature， can improve the speedofMPPT during the system start process.A 1 kW prototype of photovoltaic power system for MPPT is built in the lab.The ex-perimental results verify the correctnessand effectivenessof the proposedmethod.Keywords ： solar cell； maximum power point tracking； initial valueFoundation Project ： Supported by National Natural ScienceFoundation of China（ No.60874014）； Start Scientific ResearchFund Projects of SeniorProfessionals（ No.09JDG010）第 44 卷第 2 期2010 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.44 ， No.2February， 20107第 44 卷第 2 期2010 年 2 月电力电子技术PowerElectronicsVol.44 ， No.2February， 2010一个可调直流电压源 Us 加滑线变阻器 Rs 的串联组合 来 模 拟 替 代 。 Buck 变 换 器 和 RL 可 等 效 为 电 阻Req。 调节直流电源的电压和电流 ， 相当于改变外界环境对太阳能电池产生的影响 。由图 1 所示等效电路 ， 可得模拟太阳能电池的输出功率为 ：Ppv=UpvI pv=- 1RsUpv2+ UsRsUpv （ 1）式 中 ： Upv 为 太 阳 能 电 池 电 压 ， Upv=I pvReq； Ipv 为 太 阳 能 电 池 电流 ， I pv=Us /（ Rs+Req）。当 Req=Rs， 即 Upv=Us/2 时 ， Ppv 最大 ， 即 ：Ppvmax= Us24Rs （ 2）根据式 （ 1） 绘制出模拟太阳能电池的 P-V 曲线 ，如图 2 所示 。在图 1 中 ， 当电感电流连续时 ， Buck 变换器的输出电压 Uo， Upv 与占空比 D 之间的关系为 ：D=Uo /Upv （ 3）Buck 变换器输入功率 Ppv=UpvI pv， 输出功率 Po=UoIo， 假设其损耗为零 ， 则 ：UoI o=UpvI pv （ 4）式中 ： Io 为变换器输出的平均电流 。由式 （ 3），（ 4） 可得 ：D= IpvIo（ 5）太阳能电池的外接等效负载电阻和 RL 分别为 ：Req= UpvIpv， RL=UoI o （ 6）联立式 （ 3） ～ （ 6）， 可得 ：Req= RLD2 （ 7）由式 （ 7） 可知 ， Buck 变换器可视为一个阻抗变换器 。 在 RL 不变的情况下 ， 通过调节 D， 当 Req＝ Rs时 ， 太阳能电池输出最大功率 。3 INC 的原理与程序框图将式 （ 1） 两边分别对 Upv 求导 ， 可得 ：dPpvdUpv=I pv+Upv dIpvdUpv（ 8）由 图 2 可 知 ， MPP 处 的 斜 率 总 为 零 ， 令 dPpv/dUpv=0， 则有 ：dIpvdUpv=- IpvUpv（ 9）当 dI pv/dUpv=- I pv/Upv 时 ， 太阳能电池工作于 MPP；若不相等 ， 则要判断 dPpv/dUpv 是大于零还是小于零 。INC 的程序流程包括主程序和 MPPT 中断服务子程序 。 主程序主要完成系统初始化 、 MPPT 参数初始化 、 以及使能 MPPT 中断和启动通用定时器等 。 主程序运行到循环等待时就一直进行循环 ， 当 MPPT 中断发生时 ， 主程序的循环与中断的发生互不干涉 ， 都是 独 立 运 行 。 每 一 个 开 关 周 期 都 会 有 一 次 中 断 ，MPPT 的执行均在中断服务子程序里 。 MPPT 中断服务子程序执行完后 ， 返回主程序 ， 等待下一次中断发生 。 图 3 示出 MPPT 中断服务子程序 。INC 在程序中初值及跟踪步长的给定 ， 对 MPPT跟踪速度和精度也有较大的影响 。 为了提高系统的快速性和稳定性 ， 在控制器中使用 PI 算法 ， 将计算出来的 Uref 与 Upv 的偏差经过 PI 调节后 ， 产生功率开关管的 PWM 控制信号 。4 参考电压初值的选择对 MPPT 的影响在太阳能电池温度不变或变化缓慢的情况下 ，MPPT 对应的输出电压值 Um 在各种太阳光强条件下一般相对稳定 ， 变化不大 。 Um 的大小依赖于具体的太阳能电池的参数 ， 一般 Um≈ 76％ Uoc。INC 的跟踪速度与其参考电压初值关系很大 。若 Uref 任意设置 ， 当 Uref 不在 MPP 附近时 ， 系统开机后需要较长时间才能跟踪到 MPP； 若 Uref 一旦设置过大 ， 例如设 Uref=Uoc， 当太阳光强较弱时 ， 由于 Uref可能大于当前太阳光强对应的 Uoc， 因此将造成系统不能正常开机运行 。研究发现 ， 在 INC 的 MPPT 参数初始化程序中 ，设定 Uref＝ 0.76Uoc（ CVT 的控制电压设置点 ）， 当系统每次开机时 ， 先检测当前太阳光强和电池温度下的Uoc， 即可得到 Uref， 然后立即进行 PI 调节 ， 使太阳能电池的 Upv 迅速达到所设定的 Uref， 即初步对系统进行近似的 MPPT 控制 （ CVT）， 使太阳能电池工作在MPP 附近 ； 再通过小步长 INC 对系统进行真正的MPPT控制 ， 使太阳能电池的工作点继续向 MPP 移动 ， 最后稳定在 MPP 处 。 该方法具有控制思路简单 ，效果良好 ， 跟踪速度快 ， 在 MPP 处无振荡现象 ， 对太阳能电池利用效率高等优点 。5 实验验证为了验证所提方法的正确性 ， 实验室构建了一套 基 于 DSP 控 制 的 Buck 降 压 电 路 MPPT 实 验 系统 。 图 4 示出系统原理框图 。 其中 DSP控制器采用TMS320F2812 芯片实现 。实验用太阳能电池阵列由 8 块相同型号的太阳能电池组件串联而成 。 在太阳光强 1kW/m2， 温度 25℃下 ， 太阳能电池组件 （ 8 块 ） 的 MPP 功率 Pm=1240 W，MPP 电流 Im=4.51 A， MPP 电压 Um=275.2 V， 短路电流 I sc=4.9 A， Uoc=345.6 V。 Buck 变换器电路参数 ： 滤波电感 L＝ 360 μ H； 滤波电容 C2＝ 660 μ F； 储能电容C1 ＝ 220 μ F； 开 关 频 率 fs ＝ 100 kHz； 功 率 管 选 用SPW20N60C3（ 额定电压电流 600 V/20 A）。图 5 示 出 按 照 所 提 方 法 在 INC 的 MPPT 参 数初始化程序中 ， 设定 Uref＝ 0.76Uoc 和 Uref 任意设定在远离 Um 时 ， Upv， I pv 和 Ppv 的实验波形 。 与图 5a 相比 ，图 5b， c 中系统开机后至稳定运行在 MPP 所需要的时间较长 ， 其主要原因是当所设定的 Uref 远 离 Um时 ， 在 INC 的 MPPT 中断服务子程序开始运行之后 ，系统从所设定的 Uref 处跟踪到 MPP 还需要一个较长的跟踪过程 。在 INC 的 MPPT 参数初始化程序中 ， Uref 设定对系统开机时的跟踪速度影响很大 ， 将 Uref 设定在当前太阳光强时的 Um 附近 （ Uref＝ 0.76Uoc） 时 ， 系统能迅速跟踪到 MPP。6 结 论分析了光伏系统 MPPT 算法程序中参考电压初值的设置对太阳能电池 MPPT 的影响 ， 指出在 INC等 MPPT 参数初始化程序中参考电压初值的设定对系统开机时的跟踪速度影响很大 ， 并提出一种新的参考电压初值设置方法 ， 当参考电压初值设定在当前太阳光强时的最大功率点电压附近时 ， 系统能迅速跟踪到太阳能电池 MPP。 该方法控制思路简单 ，控制效果良好 ， 系统开机后 MPPT 的跟踪速度快 。 最后通过实验验证了所提方法的正确性 。参考文献[1] Esram T， Chapman P L.Comparison of Photovoltaic ArrayMaximum Power Point Tracking Techniques[J].IEEE Trans.on Energy Conversion， 2007， 22（ 2）： 439-449.[2] Koizumi H ， 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与模拟控制相比 ， 数字 PWM 控制也存在延时 、 极限环振荡等特殊问题 。为促进数字 PWM 控制技术研究和产业应用推广 ， 本刊拟将 《 电力电子技术 》 杂志 2010 年第 12 期辟为 “ 数字 PWM 控制技术 ” 专辑 ， 以集中反映这一技术领域的最新科研成果 ， 关键技术发展和创新 ， 新装备 、 新产品的设计 、 生产和运行经验 ，国外相关情况和发展趋势 。 欢迎相关产品生产企业和研究机构的专家学者踊跃投稿 。 （ 下转第 14 页 ）太阳能电池 MPPT 方法的初值问题及其实验研究9