基于DSP的光伏電池最大功率跟蹤算法的研究

　　1 引言

　　傳統的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，同時(shí)全球還有20億人得不到正常的能源供應。這個(gè)時(shí)候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類(lèi)的能源結構，維持長(cháng)遠的可持續發(fā)展。太陽(yáng)能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點(diǎn)，越來(lái)越多的國家開(kāi)始實(shí)行“陽(yáng)光計劃”，開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動(dòng)力。因此，研究并網(wǎng)逆變器的設計有著(zhù)廣闊的前景和意義。限制光伏系統的主要因素有兩點(diǎn)：⑴初期投資比較大；⑵太陽(yáng)能光伏電池的轉換效率低。目前我們通常使用的光伏電池效率在15%左右，即使世界上最先進(jìn)技術(shù)的光伏電池在特殊的實(shí)驗條件下也只能達到40%，因此光伏電池最大功率跟蹤就變得十分重要，所以長(cháng)期以來(lái)都是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

　　2 光伏電池陣列特性分析

　　2.1 光伏電池的數學(xué)模型

　　光伏電池是利用半導體材料的光伏效應制作而成的。所謂光伏效應是指半導體材料吸收光能，由光子激發(fā)出電子—空穴對，經(jīng)過(guò)分離而產(chǎn)生電動(dòng)勢的現象。光伏電池的I-V特性隨日照強度S（W/㎡）和電池溫度t（℃）而變化，即I=f（V,S,t）。根據電子學(xué)理論，當負載為純電阻時(shí)，光伏電池的實(shí)際等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

　　對應的I-V函數如下：

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　　其中－二極管結電流（A），IL－光伏電流（A），I0－反向飽和電流（對于光伏單元而言，其數量級為10-4A），q-電子電荷（1.6×10-19C），K-玻耳茲曼常數（1.38×10-23J/K），T-絕對溫度（T=t+273K），A-二極管品質(zhì)因子（當T=330K時(shí)，約為2.80±0.152），Rs-串聯(lián)電阻（為低阻值，小于1Ω），Rsh－并聯(lián)電阻（為高阻值，數量級為KΩ）[1]。

　　2.2 光伏電池輸出的最大功率點(diǎn)

　　當光伏陣列輸出電壓比較小時(shí)，隨著(zhù)電壓的變化，輸出電流變化很小，光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒流源；當電壓超過(guò)一定的臨界值繼續上升時(shí)，電流急劇下降，此時(shí)的光伏陣列類(lèi)似為一個(gè)恒壓源[2]。光伏陣列的輸出功率則隨著(zhù)輸出電壓的升高有一個(gè)輸出功率最大點(diǎn)。最大功率跟蹤器的作用是在溫度和輻射強度都變化的環(huán)境里，通過(guò)改變光伏陣列所帶的等效負載，調節光伏陣列的工作點(diǎn)，使光伏陣列工作在輸出功率最大點(diǎn)。

圖2 光伏電池電壓/電流曲線(xiàn)和電壓/功率曲線(xiàn)

　　3 最大功率跟蹤控制算法

　　目前，常用的最大功率跟蹤方法有恒定電壓跟蹤法、擾動(dòng)觀(guān)察法和電導增量法。其中，電導增量法的跟蹤準確性最高，在環(huán)境快速變化的情況下具有良好的跟蹤性能，因此被廣泛采用。電導增量法是通過(guò)比較光伏電池陣列的瞬時(shí)導抗與導抗變化量的方法來(lái)完成最大功率點(diǎn)的跟蹤。

　　達到最大功率點(diǎn)的條件，即當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時(shí)，光伏電池陣列工作于最大功率點(diǎn)。在輻射強度和溫度變化時(shí)，光伏電池陣列的輸出電壓能平穩追隨環(huán)境的變化，且輸出電壓波動(dòng)小[3]。

　　電導增量法通過(guò)設定一些很小的變化閾值，使光伏電池陣列穩定在最大功率點(diǎn)的鄰域內，而不是圍繞著(zhù)最大功率點(diǎn)前后波動(dòng)。當外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，從一個(gè)穩態(tài)過(guò)渡到另外一個(gè)穩態(tài)時(shí)，電導增量法根據電流的變化就能夠做出正確的判斷，而不會(huì )像擾動(dòng)觀(guān)察那樣出現誤判斷。

　　圖3中的U（k）、I（k）是檢測到的光伏電池陣列當前電壓、電流值，U（k-1）、I（k-1）是上一周期的電壓、電流采樣值。

圖3 電導增量法的控制流程圖

　　光伏電池陣列與Boost電路相接時(shí)，假設外部負載仍為純電阻負載，并忽略Boost電路本身阻抗的情況下，根據Boost電路的阻抗變換關(guān)系，容易得出Boost電路的等效輸入阻抗為Req=(1－D)2R。 D為Boost電路的開(kāi)關(guān)占空比，R為電阻性負載的阻抗。

圖4 Boost電路的拓撲結構

　　對光伏電池陣列進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，工作電壓的控制是通過(guò)Boost升壓電路完成的。當占空比D越大時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越小，占空比D越小時(shí)，Boost電路的輸入阻抗就越大。通過(guò)改變Boost電路的占空比D，使其等效輸入阻抗與光伏輸出阻抗相匹配，實(shí)現光伏電池的最大功率輸出，這是采用Boost電路能夠實(shí)現最大功率跟蹤的理論依據。對于Boost電路的工作原理，本文不再贅述。

　　4 最大功率跟蹤時(shí)的問(wèn)題

　　采用電導增量法進(jìn)行最大功率跟蹤過(guò)程中，通過(guò)調節Boost電路的占空比來(lái)實(shí)現光伏電池陣列的工作點(diǎn)電壓的控制，從而達到最大功率的跟蹤。然而通過(guò)光伏電池的電壓/電流曲線(xiàn)和電壓/功率曲線(xiàn)可以看出，工作在恒壓源區和恒流源區是改變相同步長(cháng)的工作電壓對光伏電池的輸出功率改變是不同的。在恒流源區內，輸出電流對工作電壓的改變敏感度很低，而在恒壓源區對電流的影響卻是非常明顯。為了能夠更快、更精確的追蹤到光伏電池的最大功率輸出的工作電壓電流，需要對跟蹤的方法進(jìn)行改進(jìn)。

　　5 改進(jìn)方法

　　根據相同工作電壓變化量在恒壓源區和恒流源區的不同影響效果，對兩個(gè)區內電壓變化的步長(cháng)作適當調整，提高最大功率跟蹤的效率。經(jīng)過(guò)測試，通常使用的光伏電池的最大功率點(diǎn)電壓一般為其開(kāi)路電壓的（0.75-0.85）倍，所以恒流源區與恒壓源區電壓范圍的比例關(guān)系大概是4:1。如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒壓源區時(shí)，其工作電壓肯定大于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著(zhù)減小工作電壓的方向變化，取它的電壓變化步長(cháng)為△V；反之，如果判斷出當前光伏電池陣列工作于恒流源區時(shí)，其工作電壓肯定小于最大功率點(diǎn)電壓，要朝著(zhù)增大工作電壓的方向變化。為了提高跟蹤速度，取它的電壓變化步長(cháng)為4△V。

　　為了提高最大功率跟蹤的精度，在一定的溫度和光照強度時(shí)，當光伏電池的輸出功率與當前條件下所能達到的最大功率接近到一定程度時(shí)，對它的跟蹤步長(cháng)△V進(jìn)行調制，將△V適當變小，使其更精確的跟蹤最大功率。在實(shí)際運行當中，光照強度突然發(fā)生變化瞬間，光伏電池兩端的工作電壓不會(huì )發(fā)生明顯變化，相反，光伏電池的輸出電流會(huì )發(fā)生瞬間的明顯變化。根據這一特點(diǎn)來(lái)判斷△V應采用大步長(cháng)值△V2還是小步長(cháng)值△V1。在系統控制參數的設計時(shí)，需要根據具體的光伏電池參數，來(lái)確定工作電流的變化量 的值作為判斷標準。改進(jìn)后的電導增量法流程圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的電導增量法流程

　　6 實(shí)驗結果

　　由實(shí)驗波形很容易看出，采用改進(jìn)后的電導增量算法的光伏系統，在光照強度很穩定時(shí)，直流母線(xiàn)電壓的波動(dòng)非常??；當光照強度突然變化時(shí)，直流母線(xiàn)上的電壓也非常穩定，電流迅速增大，保證光伏電池始終做最大的輸出。

圖6 光強突變時(shí)的母線(xiàn)電流和電壓

　　7 結語(yǔ)

　　利用TMS320LF2407數字信號控制器作為主要控制芯片，采用改進(jìn)的MPPT控制方式，該系統具有很好的動(dòng)態(tài)響應和跟蹤精度，具有跟蹤光伏電池陣列最大功率點(diǎn)的功能，提高了系統的效率，充分利用了能源。