王紅敏，曹建建

（西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710021）

基于DSP的光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤算法的研究

王紅敏，曹建建

（西安工業(yè)大學(xué) 工業(yè)中心，陜西 西安 710021）

基于DSP芯片TMS320F2812設(shè)計一種兩級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。對該系統(tǒng)提出了一種新型的MPPT控制算法，即在外界環(huán)境或負(fù)載突變時，先采用一種在線計算短路電流法，避免了對系統(tǒng)正常工作的干擾，以保證跟蹤的快速性；在此基礎(chǔ)上引入小步長的擾動觀察法，對最大功率點處的穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，可有效減小系統(tǒng)的輸出功率在最大功率點的振蕩現(xiàn)象。通過Matlab軟件分別對擾動觀察法、短路電流法以及所提的新型MPPT方法進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，該新型MPPT方法能夠快速、準(zhǔn)確地跟蹤外部環(huán)境變化，減少了系統(tǒng)在最大功率點的振蕩現(xiàn)象，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

最大功率點跟蹤：光伏發(fā)電系統(tǒng)；擾動觀察法；短路電流法；光伏陣列

隨著傳統(tǒng)能源的日漸枯竭，太陽能已經(jīng)成為一種十分具有潛力的新能源，而光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的主要方式之一[1-2]。由于太陽能光伏陣列的輸出功率將會隨著光照強度、氣候條件以及環(huán)境溫度等的變化而改變，為了使整個系統(tǒng)的效率達(dá)到最大化，應(yīng)該讓太陽能電池始終工作于最大功率點處。因此光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤的研究[3-4]，具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

本文按照光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的要求確定了系統(tǒng)主電路的總體控制結(jié)構(gòu),采用DSP芯片TMS320F2812實現(xiàn)數(shù)字控制的方法，選擇了具體的電路參數(shù)，并設(shè)計了系統(tǒng)其它硬件電路。文中在闡述光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上，分析了傳統(tǒng)的短路電流法和擾動觀察法在最大功率點跟蹤算法上的優(yōu)缺點，并提出一種新型的MPPT控制方法，即根據(jù)光伏電池工作狀態(tài)，將短路電路法和擾動觀察法相結(jié)合以實現(xiàn)光伏電池最大功率點的跟蹤。通過在線計算獲取短路電流，避免了傳統(tǒng)短路電流檢測方法對系統(tǒng)運行的干擾，提高了光伏系統(tǒng)效率。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高對光伏系統(tǒng)的利用效率，在最大功率點附近時采用小步長的擾動觀察法，從而有效減小系統(tǒng)在最大功率點的振蕩。最后，在Matlab/Simulink平臺上進(jìn)行了仿真驗證，結(jié)果表明該新型MPPT算法可以快速有效的跟蹤光照變化，并且減輕了系統(tǒng)輸出功率在最大功率點的振蕩現(xiàn)象，從而提高對光伏電池的利用率，跟蹤器具有良好的跟蹤性能。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)介紹

本文研究的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主電路，由前級Boost DC/DC升壓電路和后級全橋逆變電路組成,是一個兩級式并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，其總體控制框圖如圖1所示。前級 Boost電路實現(xiàn)升壓和MPPT，后級電路實現(xiàn)逆變和對并網(wǎng)電流的控制。基于DSP的控制系統(tǒng)中，其優(yōu)點是可利用Boost電路分別獨立的進(jìn)行MPPT控制互不影響實現(xiàn)靈活擴(kuò)展多組光伏陣列，其兩級設(shè)計增加了逆變效率[5]。其中由TMS320F2812組成的控制單元是本系統(tǒng)的核心部分，其主要作用包括：①對交直流電壓電流進(jìn)行采樣，以完成最大功率跟蹤算法和同步鎖相；②產(chǎn)生觸發(fā)脈沖信號，完成DC/DC和DC/AC電能轉(zhuǎn)換；③檢測系統(tǒng)電量及電網(wǎng)的電壓與頻率，實現(xiàn)系統(tǒng)的過流、欠流、過壓、欠壓、孤島效應(yīng)等保護(hù)；④實現(xiàn)與上位機(jī)之間的通訊。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)總體控制框圖Fig.1 The overall control diagram of photovoltaic power generation system

DSP控制單元要完成上述功能需具有：電量計算、調(diào)節(jié)控制、脈沖移相觸發(fā)、同步信號檢測、電量測量與上位機(jī)通信等環(huán)節(jié)。根據(jù)上述要求，DSP控制器也相應(yīng)地由以下幾個基本單元組成:同步捕獲測頻和測相單元、移相觸發(fā)、模擬量輸入通道、開關(guān)量輸入輸出通道、通訊接口等單元。

2 最大功率點跟蹤算法

2.1 光伏電池特性

最大功率點跟蹤 (Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)系統(tǒng)是通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。光伏電池是一種非線性的直流源,圖2和圖3分別給出了某光伏陣列在不同光照強度和不同電池結(jié)溫下其輸出的特性[6]曲線。由圖2和圖3可知,當(dāng)外界自然條件改變時,光伏陣列的輸出特性將隨之改變,其輸出功率及最大功率點亦相應(yīng)改變。并且,光伏陣列輸出電流主要受光照強度變化的影響,而輸出電壓主要受電池結(jié)溫變化的影響。當(dāng)光伏陣列的工作電壓處于最大功率點電壓UMPP時,光伏陣列就輸出最大功率PMPP。

圖2 光伏陣列在不同光照強度下的輸出特性Fig.2 Output characteristics of photovoltaic array under different light intensity

圖3 光伏陣列在不同電池結(jié)溫下的輸出特性Fig.3 Output characteristics of photovoltaic array under different temperature in the battery

2.2 MPPT控制算法

目前較常用的最大功率跟蹤算法[7-8]有短路電流檢測法、固定電壓法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制等方法。從圖2和圖3中光伏陣列的輸出特性分析可知，在最大功率點處，光伏陣列輸出最大功率PMPP時，其輸出電流Io與短路電流IS有一個近似比例關(guān)系即：Io=0.92IS，因此若已知光伏電池的IS就可以控制系統(tǒng)，使其近似在最大功率點處工作。但該最大功率點對應(yīng)的Io會隨著光照強度及溫度的變化而不同，因此短路電流檢測方法控制精度低，通常多應(yīng)用于小功率場合。

傳統(tǒng)擾動觀察法的控制原理：假設(shè)增加光伏變換器的占空比，若光伏陣列輸出功率增加，則占空比持續(xù)增加，反之占空比減?。患僭O(shè)減小變換器的占空比，若光伏陣列輸出功率增加，則占空比持續(xù)減小，反之占空比增加。占空比的改變值稱為擾動步長△d，擾動步長大小的選取要兼顧光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性及動態(tài)特性。圖4(a)(b)為擾動觀察法在不同擾動步長下的仿真波形，從波形看出，系統(tǒng)響應(yīng)速度能滿足光強變化條件下的動態(tài)響應(yīng)，但在穩(wěn)態(tài)輸出時存在較嚴(yán)重的功率振蕩現(xiàn)象，隨光伏電池輸出功率的增加，振蕩現(xiàn)象加劇，且擾動步長△d越大，振蕩現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖4 擾動觀察法的仿真波形Fig.4 Simulation waveform of perturbation and observation method

本文根據(jù)在不同的光照強度和溫度條件下，恒流源區(qū)域內(nèi)，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低；在恒壓源區(qū)域內(nèi)對電流影響明顯。因此擬采用一種新型的MPPT算法：將擾動觀察法和短路電流法相結(jié)合提出一種新型MPPT算法，即改變擾動步長的短路電流法，以彌補傳統(tǒng)方法的不足。設(shè)計的新型MPPT控制算法流程圖如圖5所示。定義系統(tǒng)任一工作時刻為t，系統(tǒng)的工作狀態(tài)根據(jù)光伏電池的輸出電壓、輸出電流來判斷：

圖5 新型MPPT算法流程圖Fig.5 The new MPPT algorithm flow chart

1）計算t時刻光伏電池的輸出功率、輸出電壓，并和t-1時刻的輸出值進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)是否工作于最大功率點左側(cè)，即是否處于電流源工作模式；

2）如果系統(tǒng)不處于電流源工作模式，則調(diào)整最大功率點電路開關(guān)的占空比使其工作于電流源模式；

3）若系統(tǒng)處于電流源工作模式，則通過公式計算得出t時刻 It=△Pt/△Ut及 t+1 時刻 It+1=△Pt+1/△Ut+1，比較 It和 It+1，如果兩者差值在誤差范圍內(nèi)，則It值可認(rèn)為等于短路電流IS，將該電流用于最大功率點電路的短路電流檢測法控制；

4）若It和It+1差值超出誤差范圍，且系統(tǒng)在最大功率點左側(cè)工作，則可推斷系統(tǒng)工作于最大功率點附近，此時執(zhí)行小步長的擾動觀察法。

5）以上 1)～4)過程不斷重復(fù)直至△P≈0，此時該光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點。

3 仿真驗證及實驗結(jié)果分析

在軟件Matlab/Simulink中搭建光伏系統(tǒng)模型，對本文所提新型MPPT方法進(jìn)行仿真，以驗證其有效性。仿真對象為溫度25℃，最大輸出功率300 W的光伏電池，該電池最大開路電壓為45 V，最大短路電流為8.7 A。當(dāng)光伏電池輸出最大功率300 W時，它的工作電壓為38 V，工作電流為 7.8 A。按照光伏陣列輸出特性（圖3和圖4），通過仿真得到光照強度為1 300 W/m2時最大功率點功率為333.45 W，在光照強度為700 W/m2時最大功率點功率為172.62 W。仿真時間在0.2s時光照強度由 1 300 W/m2減少為700 W/m2，在0.3 s時光照強度由700 W/m2增加為1 300 W/m2。分別采用擾動觀察法、短路電流法以及文中所提的新型MPPT方法進(jìn)行仿真。圖4是傳統(tǒng)擾動觀察法在不同擾動步長△d條件下的仿真結(jié)果，圖6是短路電流法的仿真結(jié)果，圖7是應(yīng)用本文新型MPPT法得出的光伏電池輸出功率仿真結(jié)果。設(shè)定光伏電池初始輸出功率為0 W，第一個穩(wěn)定情況下輸出功率為250 W，第二個穩(wěn)定情況下輸出功率為100 W,當(dāng)光伏系統(tǒng)外部環(huán)境發(fā)生變化時，輸出功率經(jīng)過動態(tài)過程后達(dá)到穩(wěn)定。

圖6 短路電流法的仿真波形Fig.6 Simulation waveform of short-circuit current method

圖7 新型MPPT方法的仿真波形Fig.7 Simulation waveform of new MPPT method

從圖4～圖7中可以看出，3種方法對外部環(huán)境變化的響應(yīng)速度基本相同，但當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，3種方法有明顯的不同：①擾動觀察法（見圖4）中，隨光伏電池輸出功率的增加，振蕩現(xiàn)象加??；△d較大（取值0.06）時，對外界環(huán)境變化響應(yīng)速度快，但在最大功率點附近有較大的功率振蕩；△d較小（取值0.02）時，最大功率點附近的功率振蕩會減弱，但系統(tǒng)對外界環(huán)境變化的響應(yīng)能力變差。即擾動步長△d大時，在光強變化時能迅速跟蹤最大功率點，但穩(wěn)態(tài)輸出時功率存在較大的振蕩。從表1中也可看出，擾動步長△d大時，穩(wěn)態(tài)輸出功率均值減??；②短路電流法（見圖6）能迅速跟蹤光強的變化。從表1中看出，在光強由1 300 W/m2突變?yōu)?00 W/m2后，此時最大功率點的輸出電壓減小，由于設(shè)定值不變，導(dǎo)致輸出功率減小，功率損失較多。③新型MPPT方法（見圖7）在穩(wěn)定狀態(tài)下，輸出功率總體較平穩(wěn)僅有微小的波動。對比圖4和圖7，可以看出新型MPPT方法比擾動觀察法有更快的跟蹤速度，同時由于穩(wěn)態(tài)逼近最大功率點時的擾動步長可以取得比較小，因此穩(wěn)態(tài)輸出功率波動更小。從表1中也可看出，該新型MPPT方法在光強700 W/m2和1 300 W/m2時穩(wěn)態(tài)輸出功率值最大，較接近理想值。

表1 3種方法穩(wěn)態(tài)輸出功率均值比較Tab.1Threemethodstocomparethemeansteady-stateoutputpower

由圖4-圖7，分別將傳統(tǒng)擾動觀察法、短路電流法及本文提出的新型MPPT方法在光伏電池不同穩(wěn)態(tài)輸出功率下的功率最大波動值計算匯總得表2。從表2可以看出，本文提出的方法在相同穩(wěn)態(tài)輸出功率情況下，最大功率波動值遠(yuǎn)小于擾動觀察法和短路電流法。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明：本文提出的新型MPPT方法具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的擾動觀察法和短路電流檢測法。

表2穩(wěn)態(tài)輸出功率的最大波動值Tab.2 Maximum value of the output power fluctuation in steady-state

4 結(jié)論

本文闡述了整個光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的原理框圖，分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的控制作用及方法。將短路電流法和擾動觀察法的優(yōu)缺點進(jìn)行了分析比較，并分析了光伏電池輸出特性，由此引入了新型的MPPT算法，該方法可在線計算出短路電流法控制所需的光伏電池短路電流，避免傳統(tǒng)短路電流檢測方法干擾系統(tǒng)的正常工作。同時當(dāng)系統(tǒng)工作接近于最大功率點時采用小步長的擾動觀察法，減輕了系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時的功率振蕩，提高了系統(tǒng)的效率及最大功率的跟蹤速度和精度。仿真和實驗結(jié)果均表明，在應(yīng)用該新型MPPT方法下，系統(tǒng)輸出功率能有效消除振蕩現(xiàn)象，快速跟蹤外部環(huán)境的變化，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能得到很大提高，具有較好的實用價值。

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Research on MPPT method of photovoltaic power generation system based on DSP

WANG Hong-min，CAO Jian-jian
（Industrial Training Center，Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China）

To design a two-stage photovoltaic power generation system based on the DSP chip of TMS320F2812.Proposed a new MPPT control algorithm in this system,that is when the external environment or load mutation,an on-line calculation of short-circuit current method is used first,avoid disturbance to the normal work of the system,in order to ensure fast tracking;small step perturbation and observation method is introduced on this basis,the steady state characteristics of the maximum power point is optimized,which can effectively reduce power output of the system in the oscillation phenomenon of maximum power point.Through Matlab software to respectively simulate the perturbation and observation method,short-circuit current method and the new MPPT method,the results show that the new MPPT method can track the changes in the external environment quickly and accurately,reduce the system oscillatory phenomena in the maximum power point,improve the efficiency of photovoltaic power generation system.

maximum power point tracking （MPPT）；photovoltaic power generation system；perturbation and observation method；short-circuit current method；photovoltaic array

TN910

A

1674-6236（2014）17-092-04

2014-05-12 稿件編號：201405075

王紅敏（1982—），女，陜西西安人，碩士，助工。研究方向：超大規(guī)模集成電路及電工電子類實驗教學(xué)。