【光伏并网系统中的最大功率点追踪控制

电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE（ 总第 １ 66 期 ） Nov． ２００ 81 引言太阳能以取之不尽 、 清洁等独特优点而成为最有大规模开发利用潜力的可再生能源之一， 太阳能光伏并网发电越来越受到世界各国的关注， 成为太阳能光伏利用的主要发展趋势 [1] 。 并网型控制的主光伏并网系统中的最大功率点追踪控制蔡先武(国防科学技术大学 ， 湖南 长沙 410073)摘 要 ： 太阳能电池阵列输出特性具有强烈的非线性 ,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 。 对并网系统的 DC-DC 电路原理和控制方法进行了研究 ， 利用增量电导算法 ， 通过脉宽调制的办法实现最大功率点的追踪 ， 并用实验证实了其可行性和正确性 。关键词 ： 太阳能电池 ； 光伏并网系统 ； 最大功率点追踪 （ MPPT ）； 增量电导法中图分类号 ： TN615 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1004-4507(2008)11-0048-05Research on Maximum Power Point Tracking inGrid-Connected Photovoltaic SystemCAI Xianwu(National University of Defense Technology， Changsha410073， China)Abstract: The output of solar cell array has a nonlinear feature,in order to improve the efficiency ofthe system,The main method is to regulate the output of array to develop the maximum power pointtracking(MPPT).In this paper the Principle and control method of DC-DC conversion in grid-connectedphotovoltaic system were experimentally discussed.The incremental conductance method wasimplemented for MPPT with pulse-width modulation, and the control method was approved feasibleand correct by xperimental result.Keywords: solar cell ； photovoltaic grid-connected system； maximum power point tracking(MPPT) ；incremental conductance method收稿日期 ： 2008-10-19作者简介 ： 蔡先武 （１９７０ -） ， 男， 高级工程师， 主要从事微电子及太阳能电池应用研究 。· 新技术应用 ·48电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 １ 66 期 ）Nov． ２００ 8要关键在于如何达到低谐波失真的输出电流同步控制，同时又能够维持太阳能电池的最大功率转换 。 由于太阳能电池输出电压与电流具有非线性的特性，最大功率点会随着日照与温度的变化而改变， 为了更有效利用太阳能 ,需要对太阳电池的最大功率点进行跟踪，控制太阳电池的输出电流 、 电压，随时将光伏系统的电能最大限度馈送到电网 ,将光伏电能利用率最大化 。由于太阳能电池的非线性特性， 很难根据其电压与功率的非线性关系建立线性的控制方法，因 此 除 了 以 不 同 的 方 式 检 测 其 最 大 功 率 点(MPP:maximum power point) 的变化， 必须发展追踪控制的方法 。 目前，最大功率点跟踪 (MPPT:Maximum Power Point Tracking) 的 方 法 有 很 多 ，如恒定电压控制法， 扰动观测法， 导纳增量法， 模糊控制法等， 这些控制方法各有优缺点 。 本文提出一种复合型导纳增量追踪控制法， 将模糊控制与类神经控制方法应用于导纳增量法中扰动步长的确定 。 系统检测电池组件的输出电压和电流， 测量结果通过数字信号处理 (DSP) 芯片的分析运算，由 DSP 输出 PWM 脉冲调制 DC-DC 变换器功率开关管的占空比实现控制太阳电池的输出， 实现太阳能电池的最大功率追踪 。 由于采用 了 升 压 式 (BOOST)DC-DC 转 换 电 路 实 现MPPT ， 所以该方法电路简单， 软硬件结合， 控制方便灵活 。2 太阳能电池等效电路为了描述电池的工作状态， 往往将电池及负载系统用一等效电路来模拟 。 如图 1 所示 。根据电路学理论， 太阳能电池的等效数学模型为 [2] ：I = I ph－ Ibk exp q(V+RsI)nKT －! “1# $- V+RsIRsh(1)其中：I — 光伏电池输出电流 (工作电流 )；V — 光伏电池输出电压 (工作电压 )；I ph — 光生电流；I bk — 二极管饱和电流；q — 电子的电荷量 (1.6× 1 019 C)；Rs — 光伏电池的串联电阻；N — 二极管特性因子；K — 玻耳兹曼常数 (1.38× 10-23 J/K)；T — 光伏电池绝对温度；Rsh— 光伏电池的并联电阻；将上式给出的太阳能电池的 I-V 和 P-V 特性曲线表示出来， 如图 2 所示 。 从图中可以看出 ,它具有强烈的非线性 。 在特定的光照和温度情况下， 调节负载电阻， I-V 曲线上仅有一个功率最大点， 在P-V 曲线上的最大功率点具有唯一性 。由太阳能电池等效电路图和伏安特性公式可知， I= f(V， S， T)， 即太阳能电池组件其输出电流 、 电压特性与日照强度 S 和电池温度 T 有极大关系 。 电池温度上升将使太阳能电池开路电压下降， 短路电流略微增大， 从其输出功率总的来看随温度的升高而下降 。 太阳能电池的开路电压随光照强度的增加而呈指数上升，在光强只有标准光强的 10%时， 其开路电压约为开路电压的 60%～ 70%， 在强光下趋于饱和， 太阳能电池的短路电流随光照强度的增加而稳步升高 。图 1 太阳能电池片等效电路图VIph IbkIRsRshVIIsoI mI-VP-VPmPVm Voc图 2 太阳能电池伏安特性曲线· 新技术应用 ·49电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE（ 总第 １ 66 期 ） Nov． ２００ 83 MPPT 原理和控制方法3.1 升压 BOOST 电路工作原理 [3]图 3 为采用两级结构的单相并网逆变器 ,前级DC-DC 变换实现 MPPT 并将电池输出电压提升至400 V， 后级的 DC-AC 变换实现并网控制等其他控制要求， 这种结构形式控制简单， 并能保障各级的控制精度 。前级 DC-DC 采用 BOSST 升压电路， 由开关管V1、 二极管 D1、 电感 L 1、 电容 C2 组成 。 在开关 V 1 导通时，二极管 D1 反偏，太阳能电池阵列向电感 L 1存储电能， 电感电流逐渐增加； 当开关 V 1 关断时，二极管导通，由电感 L1 和电池阵列共同提供的能量供给， 向电容 C2 充电， 电感电流逐渐减小 。 图 4 为开关管驱动 、 电感电流 、 电压 、 直流母线电压的波形图 。 图中可以看出， 直流母线的电压 、 电池阵列的输出电流的调节 ,只要根据输入电压， 调节开关 V 1 的占空比 D 即可完成 。3.2 最大功率点跟踪方法本文采用增量电导法 [4] 实现 MPPT 的算法， 由阵 列 P-V 曲 线 分 析 可 知 ， 在 最 大 功 率 点 处 ， 有dP/dV = 0， 当工作点在最大功率点左边有 dP/dV >0， 当工作点在最大功率点右边有 dP/dVVm 时， 有 dP/dVVm 时， 有dP/dV－ I /V (VVmax) (4)dI /dV=－ I /V (V=Vmax) (5)这样， 可以根据 dI/dV 与 -I/V 之间的关系来调整工作点电压而达到 MPPT 的目的 。 这里， 引入参考电压 Vref， 图 5 为增量电导法的流程图 。算法中 I n 和 Vn 为本次采样值， Ib 和 V b 为上一周期采样值 。 首先计算 dI、 dV， 判断 dV 是否为 0， 如果 V 没变化， 而 dI 不为 0， 系统要通过判断 dI 的正负来对 Vref 进行相应的调节 。 比较 I/V 和 dI/dV 的值判断出工作点在 P-V 曲线的左边还是右侧， 再进行相应的调节 。 假如 dV 不为 0， 再根据式 (3)、 (4)和电池阵列DC/ACDC/DC MPPTC3I L1 L1D1C1 VC1 V1 C2V3V4V5V6PNL2Idcabiace图 3 两级结构并网系统结构示意图图 4 BOOST 电路连续导电时的稳态波形VgiLVLiV1Vc2DTSTSVpvΔ ILVpv-V dctILtttt输入 Vn， IndV=Vn-VbdI=In-I bdV=0?dI =dV=I/V?dI/dV>-I /V?dI=0?dI=0?YY YYYNNN NNVref=Vref+Δ V Vref=Vref+Δ V Vref=Vref+Δ V Vref=Vref+Δ VVb=VnIb+In返回图 5 电导增量法 MPPT 流程图· 新技术应用 ·50电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products ManufacturingEPE（ 总第 １ 66 期 ）Nov． ２００ 8(5) 给出的关系 ,对 Vref 进行调整 。 所以增量电导法是通过每次 I、 V 的测量和比较 ,判断出最大功率点的在 P-V 曲线的左右位置 ,再根据结果调整 Vref 直到输出最大功率 。3.3 扰动步长 Δ V 的调整在图 5 中涉及到确定扰动步长电压 Δ V， 要准确快速的实现 MPPT 功能， Δ V 的设置是关键， 设置过大， 会导致跟踪过程可能跨越最大功率点， 使工作点在 Pm 点处震荡，甚至始终无法达到最大功率点； Δ V 过小， 会导致跟踪速度减慢， 系统的动态效应差， 造成电能浪费 。 本文采用可变扰动步长Δ V， 根据每次 I、 V 测量和计算的结果不断调整步长 Δ V， 当工作点离最大功率点较远时， 增大 Δ V，使工作点电压变化加快，当工作点在最大功率点附近时， 减小 Δ V ， 减少震荡 。 Δ V 的确认采用模糊控制法 [5] 。模糊控制特别适用于数学模型未知的 、 复杂的非线性系统， 模糊控制就是将控制规则用语言描述出来， 将人的经验表示成语言控制规则， 然后再用这些控制规则去控制对象 。 光伏系统是一个强非线性系统， 太阳电池的工作情况也很难用精确的数学模型描述出来， 因此非常合适采用模糊控制的方法来调节工作点 。4 MPPT 的实现4.1 DSP 系统电导增 量 法通 过 比 较 光 伏 阵 列 的 电 导 增 量和瞬时电导来改变控制信号，这种控制算法需要对光伏阵列的电压和电流进行采样，本文采用具有高速处理能力的 DSP(Digital Singnal Pro-cessor) 芯 片 TMS320LF2407 [ 6 ] 为 主 控 制 芯 片 实现 。 其控制过程概括如下： 检测电路测量太阳电池的电压和电流值及 DC-DC 电 路输 出电 压值，通 过 A/D 转 换 将 字 信 号 输入到 DSP，经分析运算后输出 PWM 脉驱动升压 DC-DC 电路中的开关管，实现 MPPT。 MS320LF2407 在时钟频率 40MHz 下，指令周期仅为 25 ns，有 8 个 16 位脉宽调制 (PWM) 通道， 16 个 10 位模拟输入通道， 一次模数转换最小只需 500 ns， 能 够满足 控 制的精 度和速度要求 。4.2 程序设计逆变器系统总程序设计中， MPPT 功能 是 在中断服务模块中完成， CPUTimer0 定时器中断处理程序每 100 μ s 运行 一 次，完 成 Boost 电 路 的MPPT 控制 。 由于 DC-DC 转换是通过 DSP 输出的 PWM 控制开关实现的， 因此在程序中最终是对 PWM 输出的占空比进行调节， 主程序的流程如图 7。4.3 系统框图DC-DC 控制部分主要完成跟踪最大功率点 。检 测 电 路 检 测 电 池 阵 列 的 电 压 和 电 流 信 号 ， 由A/D 转换成数字信号， 经过 MPPT 控制得到参考电压和太阳能电池的实际电压相比较后 ,其误差检测器输入 模糊控制执行器 控制对象输出图 6 模糊控制系统图调整 PWM 输出开始初始化PWM 输出(初始 D)扫描 A/D 转换输出电导增量和瞬时电导比较图 7 程序图· 新技术应用 ·51电 子 工 业 专 用 设 备Equipment for Electronic Products Manufacturing EPE（ 总第 １ 66 期 ） Nov． ２００ 8峰值功率 /W 开路电压 /V 短路电流 /A 峰值电压 /V 峰值电流 /A110 22 7.0 17.5 6.3表 1 110 W 光伏组件标准测试条件下（ 100 Mw/cm 2,AM1.5,25 ℃ ） 的参数图 8 DC-DC 控制示意图电池阵列MPPTVrefPPI PWM 生成DClink 电压上限驱动电路DC/DC变换 DClink阵列电压检测阵列电流检测经 过 PI 调 节 后 用 于 产 生 驱 动 PWM 波 形 控 制DC-DC 开关管的导通时间， 调节控制框图如图 8所示 。5 试验结果表 1 为试验用组件参数，图 9 为采用 BOOST升压 DC-DC 电路的 MPPT 的光伏组件输出电流，从图中可以看出， 电流输出稳定， 波动很小， 始终在工作在最大功率处 。 图 9 为此时的并网电流和电压波形 。6 结论本 文 研 究 了 基 于 DC-DC 升 压 拓 扑 结 构 的MPPT 实现方法， 所采用的改进型增量电导算法，可根据电池板的电导增量和瞬时电导的差异， 调整扰动步长的大小， 它的最大优点， 就是当太阳电池上的光照强度产生变化时，其输出端电压能以平稳的方式追随其变化跟踪最大功率点，控制精确， 响应速度快 。 实验结果证明了本方案的可行性和正确性 。参考文献 ：[1] 时 臻 丽 . 世 界 可 再 生 能 源 发 展 动 向 [J]. 中 国 能 源 ,2006,28 (11):26-29.[2] 苏建徽， 余世杰， 赵为， 吴敏达， 沈玉梁， 何慧若 .硅太阳 电 池 工 程 用 数 学 模 型 [J]. 太 阳 能 学 报 ,2001 (4):409-412.[3] 张占松 ,蔡宣三 .开关电源的原理与设计 [M]. 北京： 电子工业出版社 ,1999.[4] 赵为 .太阳能光伏并网发电系统的研究 .[C]// 合肥工业大学博士学位论文 .合肥： 合肥工业大学出版社 、 出版者 2003:25-44.[5] Patcharaprakiti N .MaximumPower Point Tracking Us-ing Adaptive Fuzzy Logic Control for Grid_ConnectedPhotovoltaicSystem[J].IEEE Power Engineering SocietyWinter Meeting,2002,1:372-377.电流VA54/格100ms/ 格图 9 电池板输出电流波形t/mst/msVA0.54/格100V/格5 ms/ 格图 10 逆变输出电流 、 电压波形· 新技术应用 ·52