光伏发电系统最大功率跟踪控制器设计

李继川， 王若醒， 霍富强

(许继集团有限公司，河南许昌461000)

光伏发电系统最大功率跟踪控制器设计

李继川， 王若醒， 霍富强

(许继集团有限公司，河南许昌461000)

分析了光伏组件输出特性和传统最大功率跟踪方法优缺点，提出了变步长微量电导法。在Matlab/Simulink中，基于BUCK DC/DC变流器进行仿真实验；对比分析传统微量电导法和变步长微量电导法的仿真实验；仿真结果表明，光照强度和温度变化时，该方法能快速、准确地跟踪光伏组件输出的最大功率。基于TMS320F2812 DSP设计了最大功率跟踪控制器电路。

光伏组件；最大功率跟踪；变步长微量电导法

目前，绿色可再生能源得到广泛应用，光伏发电以其独特优势得到青睐。由于光伏组件输出功率非常容易受光照强度和温度等环境因素影响，为充分利用光伏组件输出功率，必须使输出功率始终保持最大[1]，即实时跟踪光伏组件的最大功率，因此，对最大功率跟踪的研究尤为必要。

最大功率跟踪控制策略主要有扰动观察法、微量电导法、滑模控制法及神经元网络法等。扰动观察法控制简单但只能振荡在最大功率附近，微量电导法控制精确但运算复杂，滑模控制法和神经元网络法控制较为复杂。笔者提出了运算简单控制精确的变步长微量电导法，并在Matlab/Simulink中验证了这种控制策略的正确性。基于这种控制策略和TMS320F2812 DSP设计了最大功率跟踪控制器。

1 系统架构

图1是光伏发电系统架构图，光伏组件将太阳光能转化为电能，通过DC/DC变流器将电能供给于负载，选用铅酸蓄电池(VRLA)为负载，图1虚框部分是最大功率跟踪控制器，主要由DC/DC变流器和TMS320F2812 DSP组成。TMS320F2812 DSP输出PWM波，通过驱动电路控制DC/DC变流器的输出电压，使光伏组件工作在最大功率处。

图1 光伏发电系统架构图

2 最大功率跟踪控制策略

光伏组件输出P-V特性曲线如图2所示，由该图2可见，光伏组件是一种非线性电源，且只有一处最大电功率点(MPP)，但并非任意大。光伏组件的最大功率点(MPP)除了与自身特性有关外，主要与光照强度和温度等外部条件有关；在不同的光照强度和温度条件下，光伏组件输出功率不同；要使光伏组件尽可能工作在最大功率点，必须进行最大功率跟踪。由线性电源最大功率传输定理可知，电源内阻和等效负载电阻相等时，电源输出功率最大[2]。在极短的时间内，可认为光伏组件和DC/DC变流器(等效电阻)组成的电源是线性的；通过调整DC/DC变流器PWM波占空比，使变流器电阻与光伏组件内阻相等，光伏组件输出功率最大。

图2 光伏组件输出P-V特性曲线图

由图2可知，光伏组件输出P-V特性是一条单峰曲线，最大电功率点(MPP)处斜率为零即电导为零，因此根据公式(1)找到电导为零的点即找到最大功率点。然而距离MPP越远，电导绝对值越大，反之，电导绝对值越小；根据这一电导特性，选用变步长微量电导法进行最大功率跟踪[3-4]。变步长微量电导法的基本原理是：距离最大功率点较远，跟踪步长较大；反之，跟踪步长较小。控制器根据电导的变化量和变化方向，自动改变跟踪步长；动态修正控制DC/DC变流器的PWM波占空比，变流器电阻逐步逼近光伏组件内阻，使组件输出功率最大，从而实现最大功率跟踪，其控制流程如图3所示。占空比如公式(2)所示；步长如公式(3)和公式(4)所示，Δmax是初始步长，是比例系数，决定了跟踪灵敏度。变步长微量电导法跟踪开始时，步长较大，跟踪速度快；接近最大功率点时，步长变小，跟踪精度高。这样兼顾了跟踪速度和精度，但对控制器的数字处理能力要求较高。

在Matlab/Simulink中对变步长微量电导法最大功率跟踪控制策略进行仿真验证，并对比传统的微量电导法进行分析。DC/DC变流器是BUCK电路，负载是铅酸蓄电池；光伏组件电气参数max=35 W，max=16.5 V，max=2.12 A，光照强度和温度分别为1 000 W/m2和25℃；Δmax=0.2，=0.06。在标准条件下运行至3 s处，温度由25℃跃升至50℃，传统微量电导法和变步长微量电导法的仿真结果如图4所示。由图4可见，这两种跟踪方法的稳态性能基本一致，但变步长微量电导法的动态响应能力较好。图5和图6分别给出了温度和光照强度变化时，变步长微量电导法跟踪策略输出的电流波形；可见，变步长微量电导法完成了最大功率跟踪，跟踪速度快且平稳，动态性能优异；稳态后对应输出电流呈现一定的波动，但不影响总体跟踪效果，总的来讲，动态和静态性能较优异。

图3 变步长微量电导法最大功率跟踪控制策略流程图

图4 微量电导法最大跟踪仿真波形

图5 温度25℃升至50℃电流波形

3 电路设计

根据理论研究和仿真分析，最大功率跟踪控制器的控制策略选用变步长微量电导法。本节设计的最大功率跟踪控制器电路主要包括TMS320F2812 DSP外围、数据采样和BUCK电路。TMS320F2812 DSP作为控制器核心主要负责变步长微量电导法算法、电压电流数据采样、LCD动态显示、保护及故障提示任务之间的协调；BUCK电路主要完成电能变换。

图6 光照强度1 000 W/m2降至700 W/m2电流波形

3.1 DSP选择与数据采集的实现

直流电流采集选用TBC5PS 3.3高精度双闭环霍尔电流传感器，该传感器的原边检测范围在0～12 A，副边输电电压范围在0～0.625 V(取样电阻100 Ω)，响应时间<500 ns，线性度<0.1%FS，电源3.3 V；直流电压检测电路选用简单实用的由精密电阻组成分压电路，这里不详细介绍。为提高控制器的数据处理精度、速度和抗干扰能力，选用TMS320F2812 DSP作为控制器芯片[5]。

TMS320F2812 DSP是高性能系统级芯片，自动中断响应和高速处理异步事件，提高了运算速度；12位高频A/D引脚可高速精准采样；事件管理模块(EV)可精确编程产生最大功率跟踪的PWM波。选用TMS320F2812 DSP作为控制器的控制芯片，可以充分利用其芯片丰富的内部资源，省去部分外围电路，简化电路设计；可以有效降低电路功耗和噪声干扰，提高系统的稳定性和电路的集成度[6]，也便于维护和升级。霍尔电流传感器与TMS320F2812 DSP接口电路如图7所示，霍尔电流传感器输出电流经取样电阻R10转化为电压信号，经LM358“隔离”后，通过滤波电路，消除信号中的共模、串模干扰及高频干扰后，直接差分输入到TMS320F2812 DSP的模拟输入端ADCINA0和ADCINA1，进行信号放大和A/D转换。

图7 TMS320F2812DSP接口电路图

3.2 BUCK电路设计

DC/DC变流器选用BUCK电路，如图8所示，主要包括驱动电路和功率主电路两部分。BUCK电路的优点主要是功率开关管输入电流小，线路功耗小，结构简单，控制容易。

图8 BUCK电路图

图 8中 D7、C24、Q8、D8、L2、C25和铅酸蓄电池组成BUCK功率主电路，其中D7是防反接二极管，L2和C25主要用于平抑电路通断瞬间电流、电压突变。根据d和d的变化和变步长微量电导法控制策略，控制器输出PWM控制信号，经U8(TLP521)和U9(IR2117是美国国际整流公司生产的IGBT或MOSFET电压型功率开关管的专用集成驱动芯片)组成的光电隔离装置后，控制BUCK电路中MOSFET管Q8的通断时间；改变光伏组件的输出电压，使光伏组件逐步稳定在最大功率点处，即实现最大功率跟踪。控制器根据d和d变化，寻找新的最大功率点，使光伏组件始终工作在最大功率点；最大功率跟踪实质是功率寻优的动态平衡过程。

4 结束语

通过对光伏组件最大功率跟踪控制策略的研究，提出了变步长微量电导法的控制策略，并进行仿真分析。证明了这种控制策略具有良好的稳态跟踪和动态响应优点；该方法能快速响应环境变化，重新寻找新的最大功率点。基于变步长微量电导法控制策略和高性能TMS320F2812 DSP，设计了最大功率跟踪控制器，它具有高可靠、高抗噪、高集成、低功耗和设计简单等优点。这种控制器具有很好的应用前景，此外，这种控制策略对其它类型的电能变换控制具有一定的参考意义。

[1]闵江威.光伏发电系统的最大功率点跟踪控制技术研究[D].武汉：华中科技大学，2006.

[2]邱关源，罗先觉.电路[M].5版.北京：高等教育出版社，2007：97-99.

[3]LIU F R，DUAN S X，LIU F，et al.A variable step size inc mppt method for PV systems[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(7)：2622-2628.

[4]JIANG Y C，QAHOUQ J A A，HASKEW T A.Adaptive step size with adaptive-perturbation-frequency digital MPPT controller for a single-sensor photovoltaic solar system[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(7)：3195-3205.

[5]孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京：清华大学出版社,2008：1-12.

[6]李立伟，刘斌，段雄英.智能型蓄电池恒流放电装置的研制[J].仪表技术与传感器，2006(12)：60-62.

Design of maximum power point tracking controller for PV generation system

LI Ji-chuan,WANG Ruo-xing,HUO Fu-qiang

The output characteristics of PV and the advantages and disadvantages of the traditional maximum power point tracking methods were analyzed, and the variable step size incremental conductance algorithm was put forward.Based on the Matlab/Simulink and the BUCK DC/DC convert,the simulation experiment was taken out,and the simulation results of the traditional and variable step size incremental conductance algorithm were analyzed.The simulation results show when the light intensity and temperature change,the method can quickly and accurately track the maximum output power of PV module.Based on the TMS320F2812 DSP,the maximum power point tracking controller circuit was designed.

PV module;maximum power point tracking;variable step size incremental conductance algorithm

TM 914

A

1002-087 X(2015)04-0807-03

2014-09-02

李继川(1972—)，男，山东省人，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统及继电保护。