最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用3X赵庚申33,王庆章(南开大学光电所,天津300071)摘要:对最大功率跟踪控制中DC2DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC2DC转换电路和单片机控制系统实现最大功率点跟踪,使太阳电池始终保持最大功率输出;和普通的控制器相比增加输出功率5%～15%。

关键词:光伏(PV);最大功率点跟踪(MPPT);DC2DC变换器中图分类号:TP206 文献标识码:A 文章编号:100520086(2003)0820813204T racing and Control of Maximum Pow er Point in a PV SystemZHAO G eng2shen33,WAN G Qing2zhang(Institute of Photoelectronics,Nankai University,Tianjin300071,China)Abstract:Principle and control method of DC2DC conversion for MPPT in a solar cell system experi2 mentally discussed.MPPT was implemented with a DC2DC conversion circuit and a MCU control system,and more output power of5to15percent than common control mathod was achieved.K ey w ords:photovoltaics system(PV);maximum power point tracking(MPPT);DC2DC conversion1　引　言 独立光伏系统一般是由储能蓄电池电压来选择太阳电池输出电压,而对蓄电池的充放电控制则是通过监控蓄电池的电压实现,控制工作电压在一定程度上可以调节太阳电池的输出。

但太阳电池的最大功率点是变化的。

当太阳电池的最大功率点超出所控制的范围时,就会浪费一部分能源。

因此,为了有效利用太阳能,就必须跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出;同时将蓄电充电电压限制在一定的范围,以保证蓄电池有稳定的电压。

在并网发电光伏系统中,通过跟踪控制太阳电池的最大功率点来调节太阳电池的输出,可以随时将系统富裕的电能馈送到常规电网,最大限度地利用太阳能。

DC2DC变换器是通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路,被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[1]。

用DC2DC变换器可以实现最大功率点的跟踪(MPPT)。

实际使用中用DC2DC变换器实现MPPT有不同的方法,其中谐振法是利用开关型电压逆变器的输出电压,通过电感、电容产生谐振,电感上的电压通过变压器和桥式整流向蓄电池充电。

该方法可以通过改变工作频率来调节输出电压和电流,实现MPPT,但线路较复杂,需用中间变压器,本文将DC2DC变换器接入太阳电池的输入回路,并将对DC2DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算,由单片机输出PWM脉冲调节DC2DC转换器内部开关管的占空比来控制太阳电池的输出电流,从而使蓄电池电压保持恒定。

同时通过控制开关管的占空比也可调节太阳电池输出。

由于采用了升降压式(buck2boost)DC2DC转换电路[2]来实现MPPT,所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活。

2　MPPT原理和控制方法[3]2.1　升降压式DC2DC变换电路 升降压式DC2DC转换电路原理如图1。

在开关管Q1处于导通状态时,电源给电感L充电,L上的光电子・激光第14卷第8期　2003年8月 J ournal of Optoelectronics・L aser Vol.14No.8　Aug.2003X收稿日期:2003203212　3　基金项目:“十五”国家重大科技攻关资助项目(2002BA901A44)　33E2m ail:zhaogs@电流逐渐增大;在Q 1截止时,L 放电,L 上的电流逐渐减少。

图2为电感L 、负载R 上电流的变化波形,以及c 点p 点间的电压V c 2p 和输出电压V O 的变化波形。

从图可以看出:输出电流I O 与电感上的电流I L 方向相反,而且V O 与V c 2p 的极性也相反。

可以看出限制蓄电池充电电压范围非常方便,只要根据输入电压,通过调节Q 1的占空比就可以完成。

图1　升降压DC 2DC 转换器原理图Fig.1　Schematic of Buck 2boost DC 2DC converse图2　升降压DC 2DC 转换电路波形图Fig.2　Buck 2boost DC 2DC converse circuit w aveforms2.2　MPPT 原理 线性电路原理如图3。

负载上的功率为 P R O =I 2R O =V iR i +R O2×R O(1)将(1)式对R O 求导,V i R i 都是常数,所以可得 d P R O d R O=V2iR i -R O (R i +R O )3(2) 当R O =R i 时,P R O 有最大值。

对于线性电路来说,当负载电阻等于电源内阻时,电源有最大功率输出。

虽然太阳电池和DC 2DC 变换电路都是强非线性的,然而在极短的时间内,可以认为是线性电路。

因此,只要调节DC 2DC 转换电路的等效电阻使它始终等于太阳电池的内阻,就可以实现太阳电池的最大输出,也就实现了太阳电池的MPPT 。

从图3可以看出:当R O =R i 时,R O 两端的电压是V i /2。

这表明:若R O 两端的电压等于V i /2,P R O 同样也是最大值。

因此,在实际应用中,可以通过调节负载两端的电压,来实现太阳电池的MPPT ,其原理如图4。

图4中,实直线为负载电阻线;虚曲线为等功率线;I SC 为太阳电池的短路电流;V OC 为太阳电池的开路电压;P in 为太阳电池的最大功率点。

图3　简单的线性电路Fig.3　Simple linearity circuit图4　调节负载电压实现最大功率点跟踪Fig.4　Implement the maximum pow er point trackingby regulating the load voltage 将太阳电池与负载直接相连,太阳电池的工作点由负载电阻限定,工作在A 点。

从图可以看出,太阳电池在A 点的输出功率远远小于在最大功率点的输出功率。

通过调节输出电压的方法,将负载电压调节到V R O 处,使负载上的功率从A 点移到B 点。

由于B 点与太阳电池的最大功率点在同一条等功率线上,因此太阳电池此时有最大功率输出。

2.3　MPPT 的算法[4] 实现MPPT 的算法采用增量电导法(incremental conductance method ,简称IncCond 法)。

对太阳电池进行MPPT 的目的是使后电路能获得最大功率。

如果DC 2DC 转换器的效率足够高,可以近似认为:当蓄电池获得最大充电功率时,太阳电池的输出功率也是最大的。

IncCond 法能够判断出工作点电压与最大功率・418・ 光电子・激光　2003年　第14卷　点电压之间的关系。

对于功率有 P=I×V(3)将两端对V求导,并将I作为V的函数,可得 d Pd V =d(IV)d V=I+Vd Id V(4)从式可知,当d P/d V>0时,V小于最大功率点电压;当d P/d V<0时,V大于最大功率点电压;当d P/d V=0,V即为最大功率点电压。

即有 d Pd V >-IV　(V<V max)(5) d Id V<-IV　(V>V max)(6) d Id V>-IV　(V=V max)(7)这样,可以根据d I/d V与-I/V之间的关系来调整工作点电压而MPPT的跟踪。

这里,引入参考电压V ref,图5即为IncCond法的流程图。

图5　增量电导法流程图Fig.5　Inc2Cond method flow chart 图5中V K、I K是新测量的值,根据这两个值计算I和V的变化。

首先要判断d V是否为0,如果V、I没变化,则不需要调整;如果V没有变化,而d I 不为0,那么就根据d I的正负对V ref进行调整。

假如d V不为0,再根据式(5)、(6)和(7)给出的关系,对V ref进行调整。

所以IncCond法是通过每次的测量和比较,预估出最大功率点的大致位置,再根据结果进行调整。

2.4　调整电压的确定 在图5中涉及到确定调整电压ΔV,它的设置关系到算法能否准确的实现MPPT功能。

ΔV设置偏大,会导致跟踪精度不够,使工作点始终无法达到最大功率点;反之会导致跟踪速度减慢,浪费电能。

本文ΔV的确定是采用变化的ΔV,根据每次测量和计算的结果不断调整它。

当工作点离最大功率点较远时,增大ΔV,使工作点电压变化的快一些;当工作点离最大功率点较近时,减小ΔV,使工作点不会跨过最大功率点而远离它。

在本电路中,调整ΔV采用模糊控制方法。

模糊控制实质上是利用人的经验知识的一种专家式控制方法[5]。

模糊控制系统的组成见图6。

图6　模糊控制系统框图Fig.6　Scheme of fuzzy control system diagram 模糊控制的核心就是用语言描述控制规则,最大特征是将人的经验表示成语言控制规则,然后再用这些控制规则去控制系统。

因此,模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统[6]。

而光伏系统正是一个强非线性系统,太阳电池的工作情况也很难用精确的数学模型描述出来,因此采用模糊控制的方法来调节工作点是非常合适的。

3　MPPT的电路实现3.1　单片机系统 实现MPPT控制,需要测量太阳电池和DC2DC 转换电路输出的电压和电流,再通过A/D转换将数字信号输入到单片机经分析运算后输出PWM脉冲控制DC2DC转换电路中的开关管。

本文设计的系统中,对太阳电池输出电压和DC2DC转换输出电压的测量,都选用了高性能差动放大器。

在对DC2DC转换电路输出电流进行测量时,采用测量取样电阻两端电压的方法,运放则选用高电压可编程增益差动放大器。

该集成放大器的差动增益由外部电路设置。

单片机选用AVR系列单片机A Ttiny15L[7]。

该单片机具有4通道10位A.D转换、频率150kHz、8位高速PWM输出口。

3.2　程序部分 A Ttiny15L在对测量出来的电压和电流进行计算时,需要自行编制乘法、除法子程序。

由于DC2DC 转换是通过单片机输出的PWM控制开关器管实现的,因此在程序中最终是对PWM输出的占空比进行调节。