一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现.pdf

第43卷第2期2009年2月电力电子技术Power ElectronicsVol.43 No.2February，2009定稿日期：2008-10-28作者简介：张玉平（1983-），女，河北张家口人，硕士研究生，研究方向为华北电力大学电力电子与电力传动。1引言近年来，由于资源和环境的问题，可再生能源技术广受各个国家的重视，在所有可再生能源中，太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其储量丰富、无污染、分布范围广泛等优点，正得到迅速的发展。该能源有效缓解了石化能源危机、环境污染、偏远地区的供电等问题，具有重大的现实意义。在光伏控制技术上，由于恒定电压跟踪法（CVT）较为简单，其控制器的制造相对容易，因此市场上仍有很多产品使用这种控制器。由于 CVT 法是一种近似最大功率跟踪方法，有较大功率损失，特别是温度变化时，跟踪效率不高，因此该控制器技术带来了较为严重的功率损失，显得不经济1。相比之下各种具有 MPPT 功能的控制器逐渐发展起来，这里设计即是一种基于“电压扰动法”，采用单片机 C8051F310 实现 MPPT 功能的小型独立光伏控制器。2光伏电池的基本原理及其光伏特性光伏电池的原理是基于半导体的光生伏特效应。当太阳光照射到半导体 P-N 结时，会在 P-N 结两边产生光生电压，当接上负载时，就会产生电流2。该电流与光照强度成正比，当接受的光强一定时，就可以将光伏电池看成是恒流源。图 1 示出光伏电池伏安与伏频特性曲线。由图可见，光伏电池在工作过程中，由于受外界环境（包括温度，光照强度）的影响，其输出具有明显的非线性，造成电池与负载之间的不匹配，从而不能使太阳能最大功率有效地转化为电能输出3。由此可知当环境发生变化时，简单的 CVT 控制器不能满足光伏电池最大功率上的输出的要求，为了实现光伏发电系统的功率输出最大化，就需要对光伏电池的最大功率输出点进行跟踪控制。3MPPT控制技术的实现3.1最大功率跟踪原理光伏电池是一个非线性电源，其输出电压和电流不仅受光强及温度的影响，而且也由负载的性质和状况决定。在光伏电池的伏安曲线中，光伏电池的输出特性曲线与负载特性曲线的交点即为光伏电池的工作点。如果工作点处于最大功率点处，系统就处于匹配状态，光伏电池所产生的电能被充分利用，反一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现张玉平，石新春（华北电力大学，河北 保定071003）摘要：在光伏系统中，由于光伏电池的光电转换效率太低，使其不能以最大效率转化为电能输出；另外，它在工作过程中受环境影响也很大。因此为了使其输出的电能达到最大化，除了要研制价格低廉并且能量转换效率高的光电材料外，可以通过采用最大功率跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT）的控制方法来实现光伏电池的大功率输出。介绍了一种采用 C8051F310 单片机实现光伏 MPPT 控制器的简要设计。该控制器通过采用“电压扰动法”实现MPPT 控制，通过实验结果说明该控制器达到了 MPPT 功能。关键词：太阳能电池；控制器；单片机/最大功率点跟踪；电压扰动法中图分类号：TM76文献标识码：A文章编号：1000-100X（2009）02-0014-03Implementation of a novel MPPT ControllerZHANG Yu-ping，SHI Xin-chun（North China Electric Power University，Baoding 071003，China）Abstract：The low photoelectric conversion efficiency is a major drawback of photovoltaic cells in photovoltaic systems，sothat it can not be turned into the most efficient power output.Therefore，in order to maximize the output of electricity，in ad-dition to develop the low-cost and high energy conversion efficiency of photovoltaic materials，the photovoltaic maximumpower point tracking（MPPT）is used in photovoltaic cells control to realize the high power output.A simple controller de-sign with MPPT based on MCU C8051F310 is introduced.The MPPT controller is achieved by“voltage disturbance”method，and the test results indicate that the controller has the MPPT function.Keywords：solar cell；controller；micro-computer unit/maximum power point tracking；voltage disturbance method图 1光伏电池的伏安与伏频特性曲线14之，它所产生的电能就没有被充分利用。在光伏电池的伏安曲线上，在最大功率点作切线，该切线的斜率就是光伏电池在最大功率点处的动态等效电阻。在电池和负载之间配置一个功率变换器，如图 2所示。该变换器在光伏电池和负载之间起电压适配作用，其输出电压 uo与输入电压 uin之比可以在一定范围内调节，还可以通过改变等效输入阻抗 Rin，使光伏电池达到最大功率。在工作过程中，控制功率变换器，就可以改变光伏电池的等效负载，实现系统的 MPPT。光伏电池通过 Buck 变换器与负载连接。设Buck 变换器工作于电感电流连续状态。对于理想Buck 变换器，其等效输入阻抗为：Rin=uiniin=uoio1D2=RLD2（1）式中：D 为功率开关管的占空比，D=uo/uin；io=iin/D；RL为实际负载阻抗。当 Buck 变换器的 RL一定时，改变 D，就可以改变 Rin，即可以改变光伏电池的等效负载，进而改变光伏电池的工作点和输出功率。按照一定规律控制D 的变化过程，就可以使光伏电池工作于某一特定条件下的最大功率点处或其附近很小的变化范围之内，从而实现光伏系统的 MPPT。3.2控制方法光伏电池最大功率点控制方法很多，如 CVT法、电压扰动法、导纳增量法等，这些方法各有优缺点。设计中采用电压扰动法，该方法控制思路简单，需检测的参数较少，因此普遍应用在光伏 MPPT 控制器中。电压扰动法的原理是通过将本次光伏方阵的输出功率与上次的相比较，来确定是增加还是减小光伏电池工作电压。如果功率增加，则光伏电池电压维持原来的电压扰动方向；如果功率降低，则光伏电池电压向相反方向扰动。通过反复的扰动、观察与比较，使光伏电池输出功率到达最大功率点处，实现 MPPT4。通过改变降压斩波电路的占空比 D 来调节光伏电池输出电压。由 D=uo/uin可知，由于不能人为控制 uo的大小，要使 uin向着理想的方向变化则需要向相反的方向调节 D。比如，假设增大 uin的时候可以增大功率输出，只有减小 D 才可以实现增大 uin。而占空比 D 的变化又是通过改变 PWM 的值得到的。MPPT 控制流程如图 3 所示。3.3控制器硬件的实现太阳能控制器专门为新能源发电户用储能系统进行充电、发电管理。太阳能光伏阵列发出的直流电力经过控制器对储能系统充电，在储能器件未充满时，控制器的作用是最大限度地对其充电；当储能器件被充满时，控制器切断充电电路，使储能系统处于停充状态。当储能器件放电至接近过放电压时，控制器将发出储能器件电量不足告警并切断放电回路，以保护储能器件。图 4 示出光伏系统 MPPT 控制器充放电主回路及控制电路框图。本控制器基于超级电容器储能，专为太阳能直流供电系统、太阳能直流庭院灯系统设计，并使用了单片机的智能化控制器。按下开关，即可完成所有操作及设置。具有过载保护，超级电容器过充自动关断、过放自动关断、独特的防反充等全功能保护措施，在系统运行中，有相应的指示说明。控制器通过单片机 C8051F310 对超级电容器的端电压、充电电流及光伏电池的输出电压、输出电流进行采样，通过单片机及相应的控制电路，调节 PWM 的占空比，根据 MPPT 控制方法，从单片机口输出一个频率约为24 kHz 的 PWM 波，该脉冲波通过光耦 TLP250 来驱动开关管，达到系统的 MPPT 控制，并且通过实时的采样数据对超级电容器进行过充，过放保护，延长整个系统的使用寿命。控制器具有五路输出，可根据用户需要安装大功率 LED 灯。控制器采用 C8051F310型单片机控制，开关器件采用 MOSFET，储能器件选用超级电容器。超级电容器是介于普通电池和常规电容器之间的一种新型储能器件。它兼有常规电容器功率密度大，普通电池能量密度高的优点，并具有内阻小、充放电时间短、循环性能好、使用寿命长、使用温度范围宽、对环境无污染等特点，是一种极具发展潜力的储能器件。图 3MPPT 控制流程图图 2带控制器光伏系统简图图 4光伏系统 MPPT 控制器充放电回路及控制电路一种新型光伏最大功率跟踪控制器的实现15第43卷第2期2009年2月电力电子技术Power ElectronicsVol.43 No.2February，2009（上接第9页）6结论在 Boost 电路的基础上，通过改进控制算法实现了无电流传感器的占空比直接计算控制策略。该控制策略将大部分运算工作放在主程序中完成，而在每个中断程序中只进行电压采样和占空比计算。与传统的平均电流控制方案相比，运算量变小，减少了所占用 DSP 资源；该控制策略不用采样电感电流，省去了电流传感器，降低了控制成本；同时，用占空比的直接计算代替了电流内环的 PI 调节，提高了调节速度。实验结果验证了算法的有效性，实现了电路的高功率因数校正。参考文献1Zhang Wan-feng，Guang Feng，Liu Yan-Fei，et al.A DigitalPower Factor Correction（PFC）Control Strategy Optimizedfor DSPJ.IEEE Trans.on Power Electronics，2004，19（6）：1474-1485.2S Bibian，H jin.Digital Control with Improved Performancefor Boost Power Factor Correction CircuitA.Proceeding ofIEEE 16th Applied Power Electronics ConferenceC.Cali-fornia，2001：137-143.3马皓，郎芸萍.一种关于 Boost 功率因数校正的数字控制的改进算法J.电工技术学报，2006，21（2）：83-87.4Paolo Mattavelli，Giorgio Spiazzi，Paolo Tenti.Predictive Digi-tal Control of Power Factor Preregulators with Input Volt-age Estimation Using Disturbance ObserversJ.IEEE Trans.on Power Electronics，2005，20（1）：140-147.5David M，Van de Sype，Koen De Gussem，et al.A SamplingAlgorithm for Digitally Controlled Boost PFC ConertersJ.IEEE Trans.on Power Electronics，2004，19（3）：649-657.6J Zhou，Z Lu，Z Lin，et al.Novel Sampling Algorithm for DSPControlled 2 kW PFC ConverterJ.IEEE Trans.on PowerElectronics，2001，16（2）：217-222.C8051F310 芯片是完全集成的混合信号片上系统型 MCU 芯片，具有高速、流水线结构的 8051 兼容 CIP-51 内核，速度可达 25 MIPS。该芯片是一款功能强大，性价比高的芯片。3.4系统软件的实现该系统的软件采用 C 语言编写，通过 JTAG 端口下载到单片机中。其中程序需要完成对系统时钟、I/O 口、A/D 转换、定时器 T0，T1，PCA 及 PWM 的初始化，光伏电池电压、电流，及超级电容器端电压的采样程序，光伏电池功率的计算、比较，以及 MPPT 的控制程序。单片机不断地对采样电压、电流进行转换计算，调整 PWM 值，调节占空比，采用查询的方式查询系统的最大功率点，反复判断系统是否达到了最大功率点。4实验结果及分析实验器材：25 W 光伏电池，13.5 V，480 F 电容器组，初始电压为 4.5 V。用所设计的控制器对超级电容器充电与直接用光伏电池对超级电容器直充进行了比较。表 1 示出两种充电方式的数据。每隔 10 分钟测量一次光伏电池电压 Up，可见在直充时，输出电压不断地上升，其数值和超级电容器端电压相差不多，说明超级电容器端电压牵制了光伏电池的输出电压，导致光伏电池并不是以最大功率输出，造成严重的功率损失。而当使用 MPPT 控制器给超级电容器充电时，光伏电池电压几乎，不随超级电容器端电压的上升而变化，说明 MPPT 控制起了作用，达到了预期效果。图 5a，b 分别示出超级电容器端电压为 5.1 V和 9.4 V 时单片机发出的脉冲波形，结合表 1 中光伏电池端电压，可见超级电容器端电压与光伏电池输出电压的比值近似等于降压斩波器的占空比。5结论实验证明，采用单片机 C8051F310 构成的MPPT 控制器能够实现光伏电池的最大功率跟踪控制，虽然设计是基于超级电容器，但是同样适合于蓄电池使用，充电快速，有效利用了太阳能，负载工作正常，并且控制器具有体积小、价格低和接线简单等优点，因而具有一定的实用价值。但整个系统负荷小，这一点有待于进一步的改进。参考文献1余世杰.光伏水泵系统中 CVT 及 MPPT 的控制比较J.太阳能学报，1998，19（4）：94-98.2王长贵.太阳能光伏发电实用技术M.北京：化学工业出版社，2004.3江小涛，吴麟章.太阳电池最大功率点跟踪研究J.武汉科技学院学报，2005，18（4）：43-45.4崔岩，蔡炳煌.太阳能光伏系统 MPPT 控制算法的对比研究J.太阳能学报，2006，27（6）：535-537.时间10301040105011001110Up/V直充6.587.528.449.3010.15使用控制器16.9016.9816.8016.9417.04表1充电数据表图 5单片机输出脉冲波形!16