基于优化MPPT算法的快速高效光伏充电控制器设计

李虹飞

基于优化MPPT算法的快速高效光伏充电控制器设计

李虹飞

济源职业技术学院, 河南 济源 459000

为了有效提高光伏电池板的输出功率，设计一种快速、高效和经济的光伏充电控制器。本文首先将恒压式最大功率跟踪（maximum power point tracking，MPPT）算法和电导增量式MPPT算法相结合，提出了一种新的优化MPPT算法。该算法可以从电导增量中获得实际功率，并且工作速度比电导增量式MPPT更快，开路电压只需测量一次即可将功耗降至最低。经数字信号处理器（digital signal processing，DSP）开发板对太阳能电池板（Solarex-MSX-60）测试，该充电控制器的性能较其他光伏充电控制器表现出良好的动态响应速度且精确度较高。

充电控制器; MPPT

现如今全球变暖已经不仅是环保主义者讨论的重要问题，也是社会大众经常讨论的热门问题。目前，全球大部分能源消耗仍然十分依赖化石燃料供给。全球能源供应中只有10%来自可再生能源[1-3]。虽然太阳是所有能源的主要来源，但现阶段太阳能的利用率如此之小，以至于在满足世界能源需求的贡献方面被列在其他能源之后。光伏能源是可再生能源的主要来源之一，与其他形式的可替代能源相比，光伏能源因其可用性、简单性、低维护性、环境友好性、可靠性和许多其他益处而更受青睐[4]。

光伏阵列(由几个太阳能电池组成)使用光子通过光伏效应发电，而光伏效应是指材料在暴露于光线下时产生电压或电流[5]。在特定时间内照射到给定区域的太阳能称为日照。单位时间的日照度定义为辐照度。随着辐照度的增加，会产生更多的能量。温度对太阳能电池也有影响，因为温度越高，发电量越低。即使在固定的辐照度和温度下，太阳能电池也不会产生稳定的电压或电流。光伏阵列具有非线性的电流-电压特性。为了确保光伏阵列产生最大输出功率，使用了一种称为最大功率点跟踪(MPPT)的技术[6]。

目前，已经提出的MPPT算法有很多种。一些较常用和有效的MPPT技术有恒压法、β法、系统振荡法、纹波相关法、电导增量法和扰动观察法[4-6]。在这些技术的基础上，不少研究人员提出了各种改进的MPPT方法，例如文献[7]提出了一种基于变步长扰动观测法的MPPT算法，解决了传统扰动观测法中因固定步长导致的稳态性差问题。但是这种方法计算较为复杂，且动态响应速度不够理想。因此，本文将恒压式MPPT算法和电导增量式MPPT算法相结合，提出了一种新的优化MPPT算法。并在此基础上，利用SEPIC转换器和Buck转换器，设计一个快速、高效的光伏充电控制器。

1 相关原理介绍

即使在固定的辐照度和温度下，光伏阵列也不会产生稳定的电压或电流。太阳能电池的I-V特性随着负载的变化而变化。图1和图2分别显示了典型太阳能电池的I-V特性和P-V特性。

图 1 I-V特性

图2 P-V特性

1.1 恒压MPPT

在目前已提出的MPPT技术中，恒压MPPT的算法最简单，因此最容易实现。在恒压MPPT算法中，提供给负载的电力被暂时中断，并测量开路电压V。然后，控制器恢复工作，电压控制在固定的V比率，如0.76。特定常数定义为:

式中，V为最大功率输出时的光伏阵列电压。占空比：

然而，这种方法产生了一个近似的结果，并且没有考虑气候变化引起的V的变化。

1.2 电导增量MPPT

电导增量法的理论是通过测量和比较光伏组件的增量电导(/)和瞬时电导(∆/∆)来确定光伏组件端电压的方向变化。如果增量电导的值等于瞬时电导的值，则获得最大功率点。

2 光伏充电控制器设计

设计充电控制器的输入为光伏阵列的辐照度和温度。将光伏阵列连接到SEPIC转换器，其中PWM开关信号由MPPT算法提供。然后将SEPIC转换器的输出连接到Buck转换器[8]，以确保Buck转换器的电压输出保持在14 V，这是有效充电12 V电池所需的电压（图3）。

图 3 充电控制器系统的框图

2.1 提出的优化MPPT算法

本文提出了一种结合恒压方法和电导增量方法的优化MPPT算法。该优化MPPT算法通过瞬间断开负载来获得开路电压。在此期间，使用电容器为负载供电。通过以固定速率切换SEPIC转换器（用于执行MPPT操作）的栅极，一部分V被提供给负载。然后根据电导增量算法改变占空比，得到最大功率点。该优化MPPT算法的具体步骤如图4所示。

图 4 提出优化MPPT算法的实施步骤

2.2 SEPIC转换器

光伏阵列连接到SEPIC转换器，其中门控信号通过前面讨论的MPPT算法提供。SEPIC转换器是一种DC-DC转换器，类似于buck-boost转换器[9]。与buck-boost转换器相比，它的输出极性与输入电压相同，通过使用串联和附加电容，可以更快地响应输入和输出的变化。光伏阵列的电压和电流值分别由电压和电流传感器测量，因此SEPIC转换器的栅极被相应地切换，以确保光伏阵列处于理想的工作状态。SEPIC转换器的参数由以下公式定义：

式中，表示转换器的占空比，V表示二极管的正向压降，V表示输入电压，V表示输出电压，∆I表示电感纹波电流，表示最坏情况效率，1=1表示电感值，f表示开关频率，C表示电容值，max表示最大占空比，∆V表示输出纹波电压，I表示输出电流。

2.3 Buck转换器

SEPIC转换器的输出连接到Buck转换器，Buck转换器又用于电压调节。在Buck转换器中，输出电压小于输入电压[10-13]。将Buck转换器的输出与参考电压进行比较，并将误差信号发送给比例积分（proportional integral，PI）控制器，然后将PI控制器的输出与三角波进行比较，然后将所得脉冲用于开关场效应晶体管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）Buck转换器。Buck转换器的参数由如下公式定义：

所提出充电控制器的完整电路图如图5所示。

3 结果与分析

为了验证所提充电控制器的性能，并分析优化MPPT算法的优势，利用TMS320F335 DSP[14]进行了具体测试。对于光伏阵列模拟器，考虑使用太阳能电池板（Solarex-MSX-60）[15]（图6）。

图 5 所提充电控制器的完整电路

图 6 实验设置

在实验测试过程中，辐照度在600~1000 W/m2之间变化，如图7所示。实验中光伏模型相关参数[16]如表1所示。光伏阵列的电压、电流和功率分别如图8、图9和图10所示。

表 1 仿真模型相关参数

图 7 辐照度变化

图 8 光伏阵列的电压

图 9 光伏阵列的电流

图 10 光伏阵列的功率

在局部阴影条件下，将本文提出优化MPPT算法和文献[7]的算法进行了对比分析，其中光照强度为1000 W/m2。优化MPPT算法的最大功率点跟踪结果（功率和电流）如图11所示。文献[7]算法的最大功率点跟踪结果（功率和电流）如图12所示。对比图11和图12可以看出，本文优化MPPT算法能够更快速的实现最大功率点跟踪，且准确度较高。

图 11 优化MPPT算法的实验结果

图 12 文献[7]算法的实验结果

图13为提出光伏充电控制器和文献[7]中光伏充电控制器的电压波形图，其中光照强度为1000 W/m2。在0.03 s时环境温度由12 ℃快速升高33 ℃。从图13可以看出相比文献[7]，提出光伏充电控制器的响应速度更快，曲线平滑且波动较小。

图 13 两种算法的电压输出对比

4 结 论

本文提出了一种适用于光伏系统的快速高效光伏充电控制器。该充电控制器包括SEPIC转换器和Buck转换器，并采用了新的优化MPPT算法。将恒压式MPPT算法和电导增量式MPPT算法相结合。DSP实验结果验证了所提充电控制器的可行性，响应速度更快且准确度较高。但是，所提光伏充电控制器在不同的环境温度和光照强度条件下的稳定性仍不够理想，后续将开展进一步研究。

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The Design for Fast and Efficient Photovoltaic Charging Controller Based on Optimized MPPT Algorithm

LI Hong-fei

459000,

In order to effectively improve the output power of photovoltaic panels, a fast, efficient and economical photovoltaic charging controller is designed.This paper firstly combines the maximum power point Tracking (MPPT) algorithm with the conductance incremental MPPT algorithm and proposes a new optimized MPPT algorithm.This algorithm can obtain the actual power from the conductance increment, and the working speed is faster than the conductance increment MPPT, and the open-circuit voltage only needs to be measured once to reduce the power consumption to the minimum.Through the test of solarex-MSX-60 solar panel developed by digital signal Processing (DSP), it is verified that the performance of the charging controller is better than that of other photovoltaic charging controllers in dynamic response speed and higher accuracy.

Charging controller; MPPT

TM464

A

1000-2324(2021)02-0299-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.025

2019-09-05

2019-11-12

李虹飞(1975-),女,硕士,副教授,主要从事电气控制工作. E-mail:jyslhf@163.com