基于DSP的光伏电池最大功率点跟踪系统_孔晓丽

73光电子技术 Opto-Electronics基于 DSP的光伏电池最大功率点跟踪系统孔晓丽 陈显峰 续艳鑫（太原理工大学理学院物理系）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； TMS 320F2812The MPPT System for Photovoltaic Cells Based on DSP（ Dept of Physics, Science College, Taiyuan University of Technology ）Abstract : Because of the influence of environment factors on the output characteristics of solar cell array shows a nonlinear feature, in order to improve the overall efficiency of the system, a main method is to real time regulate the work point and carry out maximum power point tracking (MPPT), so as to make the cells always working near their maximum power points . Through analyzing the V-A character of the solar cells, based on the hardware circuit controlled by TMS320F2812, and using the adaptive perturbation and observation method, a MPPT control system is designed. The experiment results show that the system can meet the need of maximum power tracking. The experiment result shows that the system can fast and exactly track the maximum power point by using this algorithm.Key words : photovoltaic cell; maximum power tracking （ MPPT） ; TMS320F28120 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 [1] 。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 T I 公 司 生 产 的TMS 320F2812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。图 1 太阳能电池等效电路从图 2可以看出，太阳能电池开路电压 Voc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 I sc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。图 2(a) 不同温度下的 I-V 曲线 图 2(b) 不同温度下的 P-V曲线图 3(a) 不同日照强度下的 I-V 曲线 图 3(b) 不同日照强度下的 P-V曲线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-DC74光电子技术 Opto-Electronics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，使输出端图 4 Boost 变换器主电路产生高于输入端的电压。 Boost电路输入输出的电压关系为： （ 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[2,3] 。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 [4-6] 。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 来解决在最大功率点附近波动大的问题，其中 式中 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， 为占空比步长，决定功率变化的步长， 为扰动方向控制系数，取值为 1。当时，认为系统已经达到最大功率点附近， 的值将自动调节变小来满足动态调节步长的要求。图 5 自适应扰动观察法流程图3.2 硬件实现控制电路使用 TI公司的 TMS 320F2812 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。 TMS 320F2812在时钟频率 150MHz 下，其时钟周期仅为 6.67 ns， 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 200 ns。TMS 320F2812 DSP芯片的这些特点能够满足 MPPT控制精度和速度的要求 [7-10] 。 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。图 6 具有 MPPT跟踪的系统框图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。图 7 主程序流程图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=21.5 V ；短路电流 ISC=1.30 A；标称功率 PM=20W，蓄电池为 24V/12 Ah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。表 1 对比实验结果 ( 参见下页)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 MPPT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( 下接 70页)70光电子技术 Opto-Electronics反射光强太小， IC1输出电压信号幅度很小，因此需要用IC2进行二级放大。 IC2后接一个低通 RC滤波，以滤除噪声等不需要的高频分量。图 6 光电检测电路5 结论 针对油气水三相流的含气率的测量问题，本文设计了集流型光纤探针含气率测井仪器，对光纤探针测量含气率的可行性做了分析，并且设计了光纤传感器测量含气率的最优探头角度和驱动电路，实验表明此系统可有效测量油气水三相流含气率。参考文献:[1] Le Corre JM, Hervieu E,Ishii M,et al.Benchmarking and improvements of measurement techniques for local-time-average two-phase flow parameters[J].Experiments in Fluids ,2003,35(5):448-458.[2] Francois F,Garnier J,Cubizolles G.A new data acquisition system for binary random signal application in multiphase flow measurement[J]. 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