dsp光伏并网最大功率点跟踪

- 1 - DSP 光伏并网最大功率点跟踪1 2**5 摘要 ： 以 DSP TMS320LF2407为主控芯片的光伏并网系统 , 它能跟踪光伏阵列最大输出功率点,实现光伏阵列和负载优化匹配 , 使负载获得最大功率。在光伏阵列输出功率最大点跟踪采用电导增量法实现 MPPT算法 , 该方法能够更好地实现最大功率点的跟踪。实验结果表明 : 该系统能够快速准确地跟踪太阳能电池最大功率点 , 不管阳光照射强度以及光伏电池温度怎样改变，电导增量法始终可以迅速完成太阳能电池的 MPPT。10 关键词 ： 太阳能；光伏发电； DSP；最大功率点跟踪：30 0 引言伴随能源危机以及环境污染问题愈来愈受到人们的关注， 光伏发电技术应运而生， 它也是开发利用太阳能最重要的方式。 太阳能并网发电的主要问题是环境对太阳能电池的输出效率干扰非常大， 当光伏阵列电池表面的温度以及阳光照射强度发生改变时都会引起输出效率的改变。 要增大太阳能并网发电的效率，使太阳能电池输出的电能被充分的使用，是太阳能35 并网发电系统最本质的要求，因此，太阳能并网发电技术，都会要求太阳能电池一直维持最大功率输出，就是光伏发电系统必须实时地工作在太阳能电池的功率最高点处 [1]。太阳能电池的输出功率呈现非线性， 通常会受到阳光照射强度、 周围环境温度以及负载性质的干扰。 当给定某一光照强度以及周围环境温度时， 太阳能电池会产生不一样的输出电压，然而仅在某个输出电压值的时候，太阳能电池的输出功率才会最高，这个时候太阳能电40 池所在的工作点就是 P-V 曲线上的最高点处， 我们把这一点叫做最大功率点。 所以太阳能并网发电系统想要增加整个系统的效率的话，最关键的方法就是一直调节太阳能电池的工作点， 让它一直徘徊在最大功率点处， 我们把其整个过程叫做最大功率点跟踪 （ Maximum Power - 2 - Point Tracking, MPPT) 。根据研究分析及对仿真结果，本论文选取电导增量法完成 MPPT。1 光伏并网发电系统的组成及原理45 光伏并网发电控制系统充分利用 DSP 的特点，让 DC-DC 升压的部分由 EVA 来实现；DC-AC 逆变的部分由 EVB 来实现， 同时让其比较单元发出 4 路 SPWM 。 还需要防止升压部分和逆变部分之间的中断发生冲突，脉宽调制 PWM 信号经由定时器的比较而发出。TMS320LF2407 具有多达 16 个 10 位的 A/D 转换模块（ ADC ），本文用其测量升压及逆变环节的电压和电流，这样有效的简化了硬件电路 [2]。如图 1 所示。50 图 1 光 伏 并 网 系 统 的 组 成 图Fig. 1 The structure of photovoltaic grid-connected control system 2 光伏并网系统 MPPT 跟踪算法55 2.1 光伏电池的输出特性光伏电池组件的开路电压及短路电流非常容易受到阳光照射强度以及周围环境温度干扰，导致整个发电系统的工作点不稳定。0 0.2 0.40.40.20.60.60.80.80.90.20.40.60.81.01.21.3电压 U电流I输出功率P100mv/cmP280mv/cm260mv/cm2I PMAXUMAX(a) 温度一定，照度改变时的 (b) 照度一定，温度改变时的60 I-V 曲线及 P-V 曲线 I-V 曲线及 P-V 曲线图 2 太阳能电池阵列的输出特性曲线特性曲线Fig.2 Characteristic curve of Solar array output characteristic 图 2 是太阳能电池的输出特性曲线， 按照纵坐标区分为 I-V 及 P-V 输出特性曲线。 太阳65 能阵列两端电压及电流值构成了伏安特性曲线（ I-V 曲线）。如图 2 所示，该伏安特性曲线- 3 - 呈现出高度非线性，因此就有了最大功率点 Pmax。观察 P-V 曲线能够发现端电压从零开始慢慢的增大的过程中，其输出功率是呈现先升后降的，这就表示此过程中有一个端电压值Vmax ，使得输出功率达到最大值 Pmax，综上所述， 太阳能阵列最大功率点跟踪控制存在改良的方式。70 上图所示， 太阳能阵列的输出特性和阳光照射强度及环境温度相关， 图 2(a)、 (b)是不同照度以及不同环境温度下， 太阳能阵列的输出特性曲线。一旦环境温度或者照度改变时，太阳能阵列的输出电流和输出电压也也会相应的发生变化， 所以引起最大功率点 Pmax 也在不停的改变。太阳能阵列的输出功率很容易受环境温度和阳光照射强度的干扰， 在阳光照射强度和环75 境温度一定的时候，太阳能阵列有唯一一个最大功率点 Pmax，只有在太阳能阵列运行在Pmax 的时候，可以获得最大输出功率。下图 3 所示是当太阳能阵列带的负载不一样的时候，其各负载情况下的工作点的状况。A 、 B、 C 各代表负载是 R1、 R2、 R3 的太阳能阵列所在的工作点，其中 R1 V A ，就表示扰动方向是对的，下一次扰动还保持这个方向，然后工作点从 B 点至 C 点。因为 V C>V B，扰动方向正确依然坚持这个扰动方向，此时工作165 点从点 C 至点 D 处 , 但是功率点处在曲线下降侧，因为 VD>V C，就表示扰动方向是功率降低的方向， 即扰动方向是—Δ V ，此时工作点从点 D 回到点 C 处。 以此类推，光伏发电系统的工作点会一直在 B 点 , C 点 , D 点徘徊，自主寻优。扰动观察法乃是现阶段很常用的最大功率点跟踪控制的方式。其流程图见图 11，首先对输出电压进行扰动 (Upv +△ U) ，然后测试它的功率值的改变，将这个值与扰动以前的功170 率值进行比较，倘若变大，就说明扰动方向是对的，接下来可以按照这个方向 +△ U 继续扰动； 倘若比较的结果是扰动后的值比扰动前的值小， 接下来就要做反向—△ U 扰动。 下图中，Upv+ 代表扰动方向和原本电压 Upv 同向； _Upv 则代表扰动方向和原本电压 Upv 方向相反。- 7 - +Upv=Upv_Upv=Upv图 11 扰动观察法实现过程流程图175 Fig.11 Perturbation and observation method to achieve the process flow chart 其优势：模块化的控制回路，跟踪法则十分简单，测量参数比较少，并且对于传感器的精度需求也不高。不足：它仅可以在太阳能电池最大功率点的附近徘徊，会造成一些功率丢失； 初始值和180 变化步长△ U 的选取会干扰跟踪精度以及跟踪速度， 如果步长太小，导致跟踪速度变慢，光伏电池容易在输出功率较低的区域工作时间太久； 如果步长太大， 光伏电池的工作点会在最大功率点周围产生非常大的的振荡， 导致跟踪的精度降低，进而丢失很多功率。偶尔还会出现程序运行时的失序“误判”情况。还有就是在周围环境发生突变的情况下，太阳能电池很可能从稳定工作阶段跳转为其他稳定工作阶段的时候出现误判的状况。185 2.2.3 电导增量法由光伏组件的 P-V 曲线能够看出 maxP 点的斜率是零，因此max *P V I= （ 1） * 0dP dII VdV dV= + = （ 2） dI IdV V= - （ 3） 190 上式中 (3)是工作在最大功率点上的条件：输出电导改变量与瞬时输出电导负值相等的时候， 光伏电池运行在最大功率点上。 如果二者不等， 就得看 dP/dV 的值大于零还是小于零。电导增量法是用比较输出电导变化量与输出电导值大小的方法判定扰动方向 [3]。a．设定目前太阳能电池的工作点在最大功率点的左边，则 dP/dV > 0 ，即 dP/dV>-I/V ，表示扰动电压须向增大的方向改变。195 b．同样道理，设定目前太阳能电池的工作点在最大功率点的右边，则 dP/dV<0, dP/dV<-I/V ，表示扰动电压须向减小的方向改变。- 8 - c．设定目前太阳能电池的工作点在最大功率点处，则 dP/dV=0 ，表示太阳能电池运行在最大功率点处。电导增量法的程序流程见图 12。其中 Vn 、 In 表示新检测到的电压值和电流值， Vb 、 Ib200 表示存储器里的记忆值。程序读入 Vn、 In 后，首先计算出其和记忆值之间的差值，然后再看电压的差值是不是等于零，如果电压的差值等于零那么还需看电流的差值是不是等于零 ?如果二者都等于零就表示阻抗相等， 则扰动值不变。 如果电压的差值等于零，但是电流的差值不等于零，就说明阳光照射强度有改变， 若电流差值大于零则扰动值增大；若电流差值小于零则扰动值变小。当电压差值不等于零的情况下，重点看公式 (3)成立与否。如果成立就205 代表功率曲线的斜率等于零即已经工作在最大功率点处； 如果输出电导的改变量大于输出电导的负值，就代表功率曲线的斜率是正的，扰动值会增大；相反的情况扰动值会变少 [4]。D=D+ Δ D D=D- Δ D D=D- Δ DΔD=D- D图 12 电导增量法实现过程流程图Fig.12 Conductance increment method to achieve the process flow chart 210 电导增量法的优势： 一旦太阳能阵列所接受的阳光照射强度改变时， 它的输出电压可以平稳的跟随它改变，电导增量法输出电压的振荡情况比扰动观察法小很多。不足： 太阳能阵列的输出功率可能有局部最大功率点， 电导增量法可能造成整个系统一直运行在这个局部的最大功率点上；同时此法对硬件的需求很高，比如传感器的精度要高、215 系统每部分的响应要快等；而且此法的算法很复杂， MPPT 控制时需要用一定的时间进行A/D 转换，给 DSP 的控制增加了一定的困难。3 实验结果分析在这里我们进队电导增量法进行仿真。如图 13 到 14 所示，光伏电池温度为 25℃，在t=0.05s 及 t=0.04s 的时候， 阳光照射强度 S 从 800W/m 2 突增到 1000W/m 2以及阳光照射强度220 S 从 1000W/m 2 突减到 800W/m 2 时的仿真结果。- 9 - 图 13 光伏电池温度不变，光照强度增强时的仿真图Fig.13 PV cell temperature constant, while light intensity enhanced simulation charts 225 图 14 光伏电池温度不变，阳光照射强度减弱时的仿真图Fig.14 PV cell temperature constant ， while light intensity decreases simulation charts 如图 15 至 16 所示，为阳光照射强度 S=1000W/m 2 且 t=0.04s 的时候，光伏电池温度 T230 从 25℃突升到 65℃以及光伏电池温度 T 从 65℃突降到 25℃时的仿真结果。图 15 光照强度不变，光伏电池温度升高时的仿真图Fig.15 Light intensity is changeless, pv cell of the temperature rises simulation diagram 235 图 16 光照强度不变，光伏电池温度下降时的仿真图Fig.16 Light intensity is changeless, pv cell of the temperature decreases simulation diagram 240 如图 17 所示， 为阳光照射强度 S=800W/m 2、 光伏电池温度 T=25℃， 在 t=0.07s 的时候，阳光照射强度突升到 1000W/ m 2、光伏电池温度突升到 65℃时的仿真结果。- 10 - 图 17 光照强度增强，且光伏电池温度升高时的仿真图Fig.17 Light intensity enhancement and pv cell temperature rises simulation diagram 245 4 结论不管阳光照射强度以及光伏电池温度怎样改变， 电导增量法始终可以迅速完成太阳能电池的 MPPT，达到稳态的时候，太阳能电池的工作点电压非常稳定且波动少。250 [参考文献 ] (References) [1] 周志敏，纪爱华编著 .太阳能光伏发电系统设计与应用实例 .电子工业出版社， 2009. [2] 杨丽．基于 DSP 的太阳能光伏并网发电系统的研究 .硕士论文， 2008， 11(01). [3] 周光明、朱正菲、谢估隽．基于 DSP 的光伏并网逆变系统的设计 .能源工程， 2004， (5)19-21. [4] Bower. The instantaneous current control inverter technology compared. Journal of nanjing university of 255 aeronautics ,9th:118-119.