控制算法的研究和控制器的设计

尤丽萍

摘要：本文对几种常用的最大功率跟踪控制算法进行比较，分析其优缺点，在扰动观察算法的基础上，提出了“变步长”扰动观察法改进算法，避免最大功率点的“误判”。并设计制作了最大功率点跟踪控制器的硬件电路，实现跟踪控制太阳能电池的最大功率点。通过最大功率跟踪控制实验，结果说明该系统可以有效地提高响应速度和跟踪精度，提高太阳能光伏发电系统的工作效率。

关键词：最大功率跟踪控制； 导纳增量法； 扰动观察法

中图分类号：TP399 文献标识码：A文章编号：2095-2163（2014）04-0028-04

Abstract：This paper compares some common maximum power point tracking algorithms， and analyzes their advantages and disadvantages. On the basis of Perturbation and Observation method， an improved way--Variable-step Algorithm is presented， to avoid misjudging the maximum power point. After that， the hardware circuit of maximum power point tracking controller is also designed and realized. By this experiment， its proved that this system would improve response speed and tracking accuracy effectively， furtherly would improve the work efficiency of solar photovoltaic power generation system.

Key words：Maximum Power Tracking Control； Incremental Conductance Method； Perturbation and Observation Method

0引言

进入二十一世纪后，开发和利用太阳能光伏技术，已经成为当今世界能源工业的发展方向。太阳能光伏发电就是利用太阳能电池将太阳辐射产生的热能进行有效吸收后，再经电路转换为电能的发电过程，而且正因其呈现的巨大潜力发展空间，即使得光伏产业在世界各国都已得到了迅猛的发展。但是，太阳能电池的利用效率还是较低，而为了解决这一关键问题，最重要的就是实现太阳能电池最大功率点的跟踪控制。太阳能电池的最大功率点跟踪控制则是为了充分利用太阳能，并使太阳能电池始终输出最大电功率的控制技术。光伏发电系统中的太阳能电池就可直接将太阳能转变成电能。一般情况下，太阳能电池的输出由多种因素决定，如日照情况、环境温度等。通常在不同的环境中，太阳能电池的输出曲线也是不同的，但每条输出电压曲线都存在一个最大功率点，这个功率点将对应唯一的电池输出电压，因此，若想尽可能最优地利用太阳能，就要通过其跟踪控制器来实时测试太阳能电池的输出功率Po，不断改变其工作点，直至太阳能电池的输出功率Po能够达到最大值，这个过程即称为最大功率点跟踪控制（简称MPPT） [1]。

1MPPT软件算法设计

1.1几种常用最大功率点跟踪控制方法的比较

随着科学技术的不断发展，为了提高最大功率跟踪控制的速度和精度，数目众多的最大功率跟踪控制方法应运而生。更为常见的有恒压跟踪法、实际测量法、导纳增量法、扰动观察法等[2]，现将这几种常用最大功率跟踪控制方法的优缺点作一比较，具体如表1所示。

1.2“变步长”扰动观察法改进算法

如表1所述，扰动观察法算法简单，且容易实现。但是当系统已经跟踪到最大功率点，或是已经跟踪到最大功率点附近，如果扰动步长太长，或是扰动还在继续，就有可能错过最大功率点，随之将损失部分功率；而当光照强度和环境温度急剧变化时，跟踪控制器也容易出现误判；另外，跟踪控制的速度和精度还与初始状态和扰动步长的设定有较大的关系。

使其稳定在最大功率点以实现最佳工作。可能之二，如果功率值减小了，则反方向扰动，而且功率值变化幅度若是较大，则相应地加大扰动的步长；功率值变化幅度若是很小，则相应地减小扰动的步长，亦稳定在最大功率点以实现最佳工作。综上所述，即如此不断地对太阳能电池的工作点进行扰动，从而获得最大功率输出。“变步长”扰动观察法的改进算法工作流程则如图1所示。

2MPPT控制器设计

MPPT控制器主电路原理图如图2所示，该电路采用的是STC12C5A60S2的8位可编程的微控制器，由电压检测电路、开关管驱动电路、升降压式DC/DC转换电路、电源稳压变换电路及显示输出电路等几个部分组成。

由图2可知，现对其中主要单元的实现功能可逐一展开分析如下：

（1）STC12C5A60S2主控制器。是单片机电路中应用较为广泛的集成电路，带有串口，可直接下载程序，也可随时擦除。其中内置8K字节的FLASH ROM，512K字节的RAM，还有4组8位的I/O口，使用方便，功耗小，并且不易损坏。

（2）电压检测电路。主要是用来检测太阳能电池阵列的输出电压，以及检测升降压式DC/DC转换电路的输入输出电压，同时也包括检测蓄电池的输出电压，而且可将检测得到的数据，在经电路转换后，输送到STC12C5A60S2主控制器中。

（3）开关管驱动电路。这里采用的是MOS型功率管，主要是因为该型功率管具有低功耗、管压降低、电荷储能效应小等特点。STC12C5A60S2输出PWM信号控制开关管V1、V2的通断，若是蓄电池端电压大于其上限额定电压，则断开V1管，停止充电；只有当蓄电池端电压小于其上限额定电压时，V1管才导通，并继续给蓄电池充电。若是蓄电池端电压小于其下限额定电压，将断开V2管，且停止放电；而只有当蓄电池端电压大于其下限额定电压时，V2管才导通，又继续放电供负载使用。通过控制开关管V1、V2的通断，可有效地防止过充及过放，同时延长蓄电池的实际使用寿命。

（4）升降压式DC/DC转换电路。通过调节其内部电路开关管的通断时间来调节占空比的大小，改变输出直流电压的幅值，并实现最大功率点的跟踪控制。

（5）电源稳压变换电路。LM317三端稳压器的输出电压是1.25V，通过改变可调电阻RP的大小，可以得到适合系统供电的直流电压。

3MPPT控制方法的实现和测试结果

3.1MPPT控制方法的实现

本次测试所使用的KNT-SPV01光伏发电系统是由南京康尼科技实业有限公司设计生产的，该系统主要由4块太阳能电池板组件、2盏300W投射灯、水平和俯仰运动机构、直流电动机、蓄电池、母线单元、按钮单元、电源组件及若干支架组成。其中的2盏300W投射灯的投射倾斜角度和投射功率均是可以调节的，主要用于模拟晨日、午日、晚日的太阳光。KNT-SPV01光伏发电系统可如图3所示。

3.2MPPT实验波形及分析

为了进一步验证运用扰动观察法改进算法对于提高光伏发电系统中最大功率点跟踪控制的速度和精度所具有的明确作用，本文进行了一个对比实验。在环境温度固定为15℃不变时，将光伏发电系统与MPPT控制器相连接，分别测试采用常规扰动观察法和本文提出的扰动观察法改进算法时太阳能电池阵列的输出电压、输出电流；以及测试当光照强度变化时，太阳能电池阵列重新跟踪到最大功率点所需要的时间，将其称为响应时间。实验测试结果如图4～图7所示，图中横坐标为时间T（0.5s/格），纵坐标中CH1通道为输出电压Uo（22V/格），CH2通道为输出电流Io（1.2A/格），CH1和CH2乘积为输出功率Po（27W/格）。

从图4和图5中输出功率曲线对比可知，采用扰动观察法改进算法跟踪到最大功率点后，输出功率振动较小，说明采用扰动观察法改进算法在一定程度上可提高跟踪精度，而且从图6和图7中输出功率曲线的对比中也可得到更进一步的验证。

4结束语

本文设计了太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪控制器硬件电路，详细分析了几种常用的最大功率点跟踪控制算法的优缺点，在此基础上则提出了“变步长”扰动观察法的改进算法，并与南京康尼科技实业有限公司设计生产的太阳能光伏发电实验测试平台相连接，构成了实体独立的太阳能光伏发电系统。通过实验测试结果说明安装的最大功率点跟踪控制器，可以提高太阳能光伏发电系统最大功率跟踪控制的速度和精度，而且更相应地提升了其工作效率，势将具有良好的实用价值和现实意义。

参考文献：

[1]欧阳名三，余世杰，沈玉梁，等.具有最大功率点跟踪功能的户用光伏充电系统的研究[J].农业工程学报.2003，19（6）：272-275.

[2]NOGUCHI T， TOGASHI S，NAKAMOTO R. Short—current pulse-based maximum—power-point tracking method for multiple photovoltaic-and-converter module system [J].IEEE Trans on Industrial Electronics，aerospace and Electronic，2002，49（1）：217-223.

[3]王银杰.风光互补发电系统最大功率跟踪及储能控制策略研究[D].镇江：江苏大学，2013.