9基于DSP的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究

基于DSP 的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究杨海柱1,刘　洁2,张育红1(1.河南理工大学电气工程与自动化学院,河南焦作　454003; 2.河南理工大学计算机学院,河南焦作　454003)摘要:太阳能光伏阵列的输出特性受外界环境因素的影响.为了跟踪太阳能光伏阵列的输出功率最大点,实现光伏阵列和负载的匹配,就需要有效的跟踪算法.而之前研究最大功率跟踪的方法有很多:固定电压法、登山法、微分导纳法等.本文通过对太阳能电池的伏安特性及功率电压曲线的分析,找到了一种新型的最大功率点跟踪方法:将扰动观察法和穷举法、成功失败法相结合,从而可以快速地跟踪太阳能电池的最大功率点.通过T MS320LF2407控制的硬件电路与最大功率跟踪方法相结合,从而实现跟踪最大功率的要求.通过验证表明,这种算法能够快速准确地跟踪最大功率点.关　键　词:光伏;最大功率;伏安特性;T MS320LF2407中图分类号:T M 615　文献标识码:A 文章编号:1673-9798(2008)04-0442-04The study of tracking maximu m power point basedon DSP in s olar arraysY ANG Hai -zhu 1,L I U J ie 2,Z HANG Yu -hong1(1.E lectronic Engineering and Auto m ation College,Henan Polytechnic U niversity,J iaozuo 454003,China;2.Co m puter Institute of HenanPolytechnic U niversity J iaozuo 454003,China )Abstract:The out put of phot ovoltaic (P V )array is affected by the envir on mental fact ors such as irradiati on and te mperature .I n order t o track the maxi m u m power point,match the array and the l oad ,an effective search algorithm is needed .Maxi m um power point tracking (MPPT )is one of the i m portant l oop s in phot ovol 2taic grid -connected syste m.There are many methods of tracking maxi m um power point bef ore,such as,constant voltage tracking,cli m bing method and incre mental conductance algorith m.I n this paper,anotherMPPT method is p resented,which the perturb and observe with exhaustive can track the MPP fast .Thr ough analyzing the V -A character of the s olar cells and power -voltage curve,and combing the hardware circuit contr olled by T MS320LF2407and the MPPT method ,the syste m can meet the need of maxi m um power track 2ing .The experi m ent result shows that the algorithm can fast and exactly track the maxi m um power point .Key words:phot ovoltaic;MPPT;V -A character;T MS320LF24070　引　言太阳能具有无污染、资源丰富、无区域限制等优点,因此它作为一种可再生利用的新能源得到了广泛的应用.光伏发电是可再生能源利用的重要技术方式,光伏产业是近几年发展最快的产业之一.第27卷第4期2008年8月 河南理工大学学报(自然科学版)JOURNAL OF HE NAN P OLYTECHN I C UN I V ERSI TY (NAT URAL SC I E NCE ) Vol .27　No .4Aug .2008 收稿日期:2008-03-24 基金项目:河南省教育厅科技计划项目(2007480003);河南理工大学博士基金资助项目(648193) 作者简介:杨海柱(1975-),男,河南焦作人,博士,副教授,从事电力电子、电力传动教学与科研工作. E -mail:154713379@qq .com但是光伏利用存在着能量转换率低的缺点,同时光伏电池输出功率与外界环境和负载有关系,因此,为提高太阳能的利用率,最大功率点的跟踪成了一个关键问题,太阳能电池最大功率跟踪技术就是针对这一问题提出的.本文通过分析前人的各种方法,分析比较各方法的优缺点,通过实验以及仿真,得出了一种改进的变步长的太阳能最大功率跟踪的方法[1-2].1　现有的最大功率点的跟踪算法及研究从太阳能电池的伏安特性可以看出太阳能电池是一种非线性直流电源.从我们所知道的功率-电压图得知,每条输出功率-电压曲线都存在一个最大功率点,这个功率点对应唯一的电池输出电压.因此,通过使太阳能电池的输出电压趋近最大功率点时的输出电压,就可以实现太阳能最大功率点的跟踪.现有的太阳能最大功率点跟踪算法简单介绍如下[3-4].登山法:　登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动,比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小.如果功率增加则在下一个周期以同样的方向加扰动,否则改变扰动的方向.但是这种算法存在一个缺点,就是适用于光强变化小的环境.导纳微分法:　导纳微分法根据最大功率点的电压来调节太阳能电池的输出电压.太阳能电池的输出关系如图1所示.从图1中可以看出d p /d V 是与输出电压值一一对应的.通过判断d p /d V 就可以确定工作点的位置.但是这种方法对硬件电路要求比较高,所以在实际中实现也比较困难.2　改进的变步长扰动观察法针对扰动观察法中选择步长的重要性,提出了另一种算法,这就是将扰动观察法和穷举法、成功失败法相结合,从而可以快速跟踪太阳能电池的最大功率点,原理如下:使初始占空比为1,也就是让功率元件I G BT 完全导通,同时测得此时的太阳能电池输出功率p 1,然后根据穷举法,定步长(l 1,相对比较大)减小P WM 信号的占空比,并测得此时太阳能电池的输出功率p 2,并且和p 1进行比较,以此类推,直到出现下列情况时,停止按照步长l 1改变占空比:p n 大于p n -1且p n 大于p n +1的时候,说明p n 是初步搜索出来的最大功率点,更进一步的搜索应该在p n 点附近进行.寻优过程如图2所示.接下来,将p n 点作为第2轮寻优的起始点,同样根据穷举法,先定波长(l 2,相对比较小,小于l 1)增加P WM 信号占空比.如果测得的输出功率也变大,则继续按照这个方向变化占空比,直至有p m大于p m -1且p m 大于p m +1,则p m 为第2轮寻找到的最大功率点;如果增加占空比后,测得的输出功率变小,则说明应该减小占空比,向p n +1方向变化,同样,可以找到一个最大功率点p j .以此类推,当步长减小到最小单位l k 时,就可以找到系统的最大功率点p max .值得注意的是,若有p n =p n -1,则说明二者为初步搜索出来的最大功率点,此时应该停止第1轮搜索,进入下一轮搜索.二者均可作为下一轮寻优的起始点,只是如果选择p n 作为起始点,应该按照步长l 2增加占空比,如果选择p n -1作为起始点,应344　第4期 杨海柱等:基于DSP 的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究该按照步长l2减小占空比;若有pn=pn+1,同样说明二者是初步搜索出来的最大功率点,如果选择p n作为起始点,则应该按照l2减小占空比,如果选择pn+1作为起始点,就应该按照l2增加占空比.同样的道理,在下一轮的寻优中,如果出现功率相等的2个点,则应该停止这一轮的搜索,按照上面的方法进入下一轮搜索.和传统的扰动观察法不同的是,当找到系统最大功率点pmax之后,不是继续扰动,而是停止扰动.之所以这样做,是因为如果继续扰动的话,系统就始终无法工作在最大功率点上,从而造成太阳能电池能量的浪费,并降低系统效率.停止扰动以后,随时监测系统的输出功率,并与pmax相比较,如果二者相同,说明此时太阳能电池工作在最大功率点,系统不必要进行调节;如果二者出现差别(小范围),说明环境有所变化,当前工作点不是最大功率点,则按照最小步长lk改变P WM信号占空比,根据成功失败法找到新的最大功率点;如果二者差别很大,说明外界环境变化很大,此时应该按照步长l1-lk进行寻优,以最快速度找到系统新的最大功率点[5-6].如果把这种方法直接运用到光伏并网系统最大功率点跟踪上,则跟踪时间比较长,而且实际中光伏发电的电压也不会从零开始,所以可以结合前人的研究,大致找出太阳能电池板的最大功率点所对应的电压,然后在这个电压的一定范围内应用变步长的扰动观察法,则系统能够快速地找到太阳能阵列的的最大功率点.3　系统实现以及实验结果分析3.1　系统构成本文所设计的光伏并网逆变系统主要分为直流和交流部分.其中直流部分提供400V直流输入,交流部分通过逆变产生50Hz,220V交流为电网供电.具有最大功率点跟踪的系统结构框图如图3所示[7-8].与前人的最大功率点跟踪的系统结构框图相比较,本文改进的主要是DC-DC和DC-AC的P WM脉冲信号源[9-10].在前人的文章中这2个环节的P WM是有2个芯片提供的,但是考虑到DSP的广泛应用以及它的强大功能,本文中采用T MS320LF2407给DC-DC和DC-AC这2个环节同时提供P WM脉冲信号.在系统中采用T MS320LF2407作为控制芯片,根据新型算法从而实现最大功率的跟踪[11-13].3.2　实验及结果分析依据所述内容,设计了一套额定功率1400W的光伏并网逆变器,并对样机进行了MPPT控制实验.实验系统采用2块175W的多晶硅太阳能电池阵列串联,太阳能阵列的开路电压约80V.MPPT 实验结果如下,图4-7分别是一天内从上午8点到下午17点MPPT控制时太阳能电池的工作电压和输出功率变化过程、逆变器输出电压电流波形、逆变器输出功率波形.从仿真的波形可以看出大部分时间太阳能电池的最佳工作点电压变化不大,从而验证了改进的变步长扰动观察法是可行和正确的,同时从逆变器输出波形也可以看出我们所研究的实验系统运行稳定,能真正达到绿色并网发电.4　结　语太阳能电池的最大功率点随日照强度和温度的变化也不断变化.但是新型算法继承了传统的扰动观察法的优点,采用穷举法并且在不同的寻优阶段采用不同的步长,按照遗传算法的法则,运用成功失败法判断占空比的变化方向,以最大速度跟踪到系统的最大功率点,采取不同的调整方式进行跟踪,克服了传统扰动观察法响应速度慢的缺点,提高了系统的快速性和高效性.利用新型算法结合我们的DSP芯片控制的高效性,能够很好地、准确地、快速地实现太阳能电池的最大功率点的跟踪,也证明了此方法的可行性.444河南理工大学学报(自然科学版) 2008年第27卷　参考文献:[1]　陈桂兰.光伏发电系统最大功率点跟踪控制[J ].电子技术用,2001,27(8):33-35.[2]　叶秋香,郑建立.光伏电池最大功率跟踪器的研究与开发[J ].东华大学报,2007,33(1):78-82,107.[3]　孙效峰.高效率并网太阳能技术研究[J ].电力电子技术,2003,37(2):49-52.[4]　王兆安.电力电子设备设计和应用手册[M ].北京:机械工业出版社,2002:696-701.[5]　罗　,徐鹏威,康勇,等.一种光伏系统变步长MPPT 策略研究[J ].通信电源术,2007,24(2):1-5.[6]　杨化鹏,薛媛,王云丽,等.一种新型光伏系统最大功率跟踪算法的研究[J ].西北水力发电,2006,22(4):1-3.[7]　周霖.DSP 算法设计与系统方案[M ].北京:国防工业出版社,2004.[8]　王斯成.5k W 联网光伏发电试验系统的研制[J ].中国能源,2002(4):40-44.[9]　王飞,余世杰,苏建徽.太阳能光伏并网发电系统的研究[J ].电工技术学报,2005,20(5):72-74.[10]　谢磊.光伏充电器中最大功率点跟踪的设计[C ]//第8届全国光伏会议论文集.杭州:中国轻工杂志社,2004:519-522.[11]　李政勤.小型太阳光电能能量转换系统之研制[D ].台湾:中山大学电机工程系研究所,2003.[12]　梁伟铭,韩晓东,谢起成.太阳能赛车峰值功率跟踪器的设计[J ].电子技术应用,2004(1):26-27.[13]　G OW J A,MANN I N G C D.Phot ovoltaic converter system suitable for use in s mall scale stand -al one or Grid connect 2ed app licati ons Electric Power App licati ons [J ].I EEE Pr oceedings,147(6):535-543.(责任编辑　李文清)544　第4期 杨海柱等:基于DSP 的太阳能阵列最大功率跟踪技术研究。