DSP的光伏電池最大功率點跟蹤系統

O 引言

隨著經濟全球化進程的不斷加速和工業經濟的迅猛發展，能源問題已成為人類需要迫切解決的問題，大力發展新的可替代能源已成為當務之急。太陽能是一種取之不盡用之不竭的綠色能源，太陽能發電具有充分的清潔性、絕對的安全性、資源的相對廣泛性和充足性、長壽性及維護性等其它常規能源所不具備的優點。光伏發電雖然具有以上的優勢，但是實際應用中還存在很多的問題。光伏發電的主要缺點之一是太陽能電池陣列的光電轉換效率太低。為了解決該問題，一個重要的途徑就是實時調整光伏電池的工作點，進行最大功率點跟蹤(MPPT)，使之始終工作在最大功率點附近。目前，光伏系統的最大功率點跟蹤問題已成為學術界研究的熱點。

高性能的數字信號處理芯片(DSP)的出現，使得一些先進的控制策略應用于光伏發電控制系統成為可能。本論文就是在此背景下，采用TI公司生產的TMS320F2812進行控制，開展了太陽能發電系統的理論和試驗研究，具有重要的現實意義。

1 光伏電池的特性

太陽能電池的輸出特性是非線性的，它受到光照強度、環境溫度等因素的影響。太陽能電池的等效電路如圖1所示，圖2是光伏電池在不同溫度下的I-V、P-V特性，圖3為光伏電池在不同日照強度下的I-V、P-V特性。




從圖2可以看出，太陽能電池開路電壓V0。主要受電池溫度的影響；從圖3可以看出，太陽能電池短路電流Is。主要受日照強度的影響，而且在一定的溫度和光照強度下，太陽能電池具有唯一的最大功率輸出點。由于實際應用中不能保證其總是工作在最大功率點上，所以在應用中要用到MPPT裝置，以保證太陽能電池的輸出功率在最大功率點的附近。



2 MPPT基本原理

MPPT的實現實質上是一個動態自尋優過程，通過對陣列當前輸出電壓與電流的檢測，得到當前陣列輸出功率，再與已被存儲的前一時刻功率相比較，舍小取大，再檢測，再比較，如此周而復始。MPPT控制系統的DC-DC變換的主電路采用Boost升壓電路。圖4為Boost變換器的主電路，電路由開關管T、二極管D、電感L、電容C組成。工作的原理為在開關T導通時，二極管D反偏，太陽能電池陣列向電感L存儲電能；當開關T斷開時，二極管導通，由電感L和電池陣列共同向負載充電，同時還給電容C充電，電感兩端的電壓與輸入電源的電壓疊加，使輸出端產生高于輸入端的電壓。Boost電路輸入輸出的電壓關系為：???? V0=VI／(1-D) (1)



當Boost變換器工作在電流連續條件下時，從式(1)可以得到其變壓比僅與占空比D有關而與負載無關，所以只要有合適的開路電壓，通過改變．Boost變換器的占空比D就能找到與太陽能電池最大功率點相對應的VI。

3 MPPT控制的實現

3．1 控制算法

目前實現太陽能MPPT常用的算法有擾動觀察法(P&O)和電導增量法(INC)。前者的算法結構簡單、檢測參數少，應用較普遍，但在最大功率點附近，其波動較大；后者的算法波動較小，但較為復雜，跟蹤過程需花費相當長的時間去執行A／D轉換。

系統采用自適應擾動觀察法，通過對擾動觀察法的改進，引進一個變步長參數λ(k)來解決在最大功率點附近波動大的問題，其中λ(k)=ε|△P|式中ε是一個恒定的常數，自適應擾動觀察法的程序流程圖如圖5所示。圖中e決定了跟蹤精度，λ(k)為占空比步長，決定功率變化的步長，η為擾動方向控制系數，取值為1。當|△P|


3．2 硬件實現

控制電路使用TI公司的TMS320F2812 DSP作為主控制芯片，其快速的運算能力、豐富的外設資源能為整個控制系統提供一個良好的平臺。DSP是整個控制系統的核心，它接受采樣電路送來的模擬信號，按照控制算法對采樣信號進行處理，然后產生所需要的PWM波形，經驅動放大后控制主電路功率開關管的通斷，從而實現MPPT。TMS320F2812在時鐘頻率150MHz下，其時鐘周期僅為6．67ns，8通道16位PWM脈寬調制，2×8通道12位A／D轉換模塊，一次A／D轉換最快轉換周期僅為200ns。TMS320F2812 DSP芯片的這些特點能夠滿足MPPT控制精度和速度的要求。

采用其中兩路A／D轉換輸入通道作為太陽能電池的輸出電流和電壓的采集通道，經過MPPT控制產生驅動PWM波形控制DC-DC開關管的導通時間，其控制的框圖如圖6所示。



3．3 軟件實現

MPPT的控制流程圖如圖5所示，其功能是在中斷服務模塊中完成的。在主程序中主要是完成對寄存器，定時器以及PWM的初始化，其流程圖如7所示。



4 實驗結果分析

為驗證MPPT系統的有效性，設計了MPPT實驗系統，并與無此裝置下光伏電池的發電狀態進行比較。實驗系統的太陽能電池采用大禾科技有限公司的多晶硅電池組件DH-20，其性能參數為：開路電壓Voc=21．5v；短路電流Isc=1．30A；標稱功率PM=20W，蓄電池為24V／12Ah鉛酸蓄電池。實驗結果見表1。由實驗數據可知，接入MPPT裝置后，光伏電池的輸出功率有了顯著提高。



5 結論

提出了一種利用DSP控制的，以Boost變換器為核心，以鉛酸蓄電池為負載的MPPL系統。詳細分析了MPPT的原理，并對該系統進行了實驗研究。實驗結果表明，采用TMS320F2812 DSP芯片控制的MPPT系統實現了光伏電池最大功率跟蹤，電路結構簡單、可靠性好、效率高，且具有針對蓄電池過充、過放、逆變輸出過流等異常情況的多種保護作用，因而具有一定的實用價值。