基于DSP的改进扰动观察法光伏MPPT实现*

2018-09-11吴中山

传感器与微系统 2018年9期

吴中山

(南京理工大学自动化学院，江苏南京 210094)

0 引言

光伏电池在应用中的转换效率较低且价格昂贵，目前应用较普遍的光伏电池转换效率约为10 %～20 %[1]。如果考虑后级逆变器转换效率，那么整个光伏系统的利用效率将会更低。因此，如何充分利用光伏电池，成为了光伏的最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)解决的问题。国内外关于光伏MPPT的研究较多：研究光伏电池参数估计、研究扰动观察法的改进、结合智能算法的MPPT等，但大多都停留在仿真阶段，实现并实验验证并不多。

由于常规扰动观察(perturbation and observation，P&O)法步长固定，存在动态跟踪速度快和稳态跟踪准确度高的矛盾[2]。对此，本文采用归一化思想利用反正切函数提出一种变步长策略。设计了一种光伏MPPT系统并进行了实验，实验结果显示：提出的方法能够提高光伏电池的利用率，验证了系统的可行性。

1 光伏电池数学模型

不同环境光伏电池的I-U近似特性表达式为[3]

(1)

式中C1,C2为常量参数，与标准条件下的短路电流、开路电压、最大功率点电流、最大功率点电压有关；ISC,UOC分别为标准条件下的短路电流、开路电压；ΔU,ΔI为不同环境下的修正量，与光照强度和温度有关。

2 MPPT原理及扰动观察法的改进

2.1 MPPT电路原理

MPPT电路原理是[4]:当负载电阻值与电源内阻值相等时，负载上得到最大功率。但负载电阻值很难改变，且光伏电池的输出特性表现为强非线性，即内阻值变化。可在中间加入一级直流转直流(direct current to direct current,DC-DC)变换器，如图1，此时等效负载电阻值为R'L，R'L与DC-DC的占空比有关，通过控制占空比改变等效电阻值，使其逼近电源内阻值，获最大功率。

图1 含DC-DC的电路

2.2 归一化变步长扰动观察法

图2(a)为固定步长扰动观察法[5]标准条件下功率曲线。注意到光伏电池功率曲线具有单峰特点，ΔP/ΔU与占空比的改变方向相同，当位于最大功率点左边时符号为正，位于最大功率点右边时符号为负。则本文占空比增量策略为

ΔD=A·2/π·arctan(ΔP/ΔU)

(2)

式中A为步长最大值,ΔP=P(i)-P(i-1),ΔU=U(i)-U(i-1)。

运用归一化思想，借助反正切函数将占空比增量的值域归一化到[-A,A]。运行过程中步长将在-A到A之间变化，不再是固定值，同时也限制了步长最大值为A。运用Simulink中S函数进行仿真该策略，A值与图2 (a)的固定步长值相等，得标准条件下图2(b)曲线，可以看出：改进算法能快速跟踪到最大功率点，稳态后基本未出现振荡。

图2 扰动观察法改进前后对比

3 系统实现

3.1 控制系统总体结构

为了能够实现最大功率的输出，数字信号处理器(digital signal processor,DSP)必须不断地对光伏阵列输出的电压电流进行采样，送入软件控制算法计算后改变输出的PWM占空比，从而控制Boost转换电路。同时，DSP将采集到的实时数据通过RS—232不断发送给PC存储，以便后期绘制曲线和分析，掌握最大功率点的跟踪情况。本系统硬件电路主要由4个部分组成，DSP控制电路、驱动电路、采样电路、Boost电路。整体结构如图3所示。

图3 MPPT控制系统框图

3.2 硬件设计

3.2.1 Boost电路

Boost电路如图4所示，利用电感储存的能量和电源一起向负载供电，从而达到升压的目的。电感、电容值为[6]

(3)

式中D为占空比；Um，Im为光伏电池标准条件下最大功率点电压和电流；r为纹波系数；f为脉宽调制(pulse width modulation,PWM)的频率。

图4 Boost电路结构

本文Um=18 V，Im=2.2 A，r=5 %，f=20 kHz。又系统后期给24 V蓄电池充电，D=(24-18)/24=0.25。可得，Lmin=1 mH，Cmin=18 μF，取电感值2 mH，电容值27 μF。

功率开关管选择IRFP250N，其导通延时为25 ns，关断延时为60 ns，响应快，额定电压达到200 V。二极管选择MUR3020PT，其反向击穿电压能达到200 V。

3.2.2 驱动电路

驱动电路由带隔离光耦HCPL—3120组成，带载能力强，常用于绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar translator,IGBT)的门级驱动。驱动电路原理如图5所示。为了保证光耦有10 mA电流可靠导通，取R7=274 Ω,R9=10 Ω。

图5 驱动电路

3.2.3 采样电路

采样电路如图6，由霍尔电流传感器(HBC—PS3.3)、电压传感器(HBV025A)和必要电路组成，用于测量光伏电池两端输出电压电流，数据送入DSP处理。其中HBC—PS3.3的1引脚、HBV025A的3引脚接DSP的AD输入引脚。

图6 采样电路

3.3 软件设计

程序的流程如图7所示，其中e为设置的一个阈值，为了避免接近最大功率后仍有振荡。首先通过采样电路检测光伏阵列的输出电压电流，计算ΔP和ΔU；判断ΔP的绝对值是否小于阈值e：若小于，则占空比不变；若大于，则按照式(2)计算占空比变化量，更新占空比。

图7 程序流程

按照流程基于TMS320F28335进行代码开发。

4 实验

环境参数：太阳光照强度641 W/m2，温度为29 ℃，在短时间内视为不变。采用Bosin型号为BX—F40W太阳能板，标准条件下参数为：UOC=22 V，ISC=2.37 A，Um=18 V，Im=2.2 A。负载为100 Ω的功率电阻器，采样周期约为100 ms。

实验得到2组数据，截取前面部分数据经过MATLAB绘制如图8所示曲线,可以看出，采用了归一化扰动观察法的MPPT算法后太阳能板输出了更多的功率，功率输出约13.5 W，而将环境参数和太阳能板参数代入模型，可得到最大功率应该在14.5 W左右。其中损失的1 W功率主要是由于电路中开关管和二极管等的损耗。最后稳定的功率值仍有不超过0.5 W波动，原因是太阳光照强度是连续变化的，在短时间内也不是恒定的，从而引起输出功率的变化。