第27卷第l0期 太阳能学报 Vo1.27.No.10 2OO6年l0月 ACTA ENERGIAE SOLARIS SINICA Oct..20o6 文章编号:ozs4-oo96(zo06)10-0997-05 最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 赵庚申,王庆章,许盛之 (南开大学光电子研究所,天津市300071) 摘要:对最大功率跟踪控制中DC—DC变换器的原理和控制方法进行了实验研究,利用DC—DC转换电路测量和单 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;同时提出了实现最大功率跟踪的控制方 法,并通过实测结果说明最大功率跟踪系统的效果。 关键词:光伏系统;DC-DC变换器;最大功率点跟踪 中图分类号:TK513.4 文献标识码:B 0 引 言 上升而减少。实现最大功率点跟踪实质上是一个 自寻优过程,即通过控制太阳电池端电压 ,使电池 光伏系统工作时,太阳电池在一定的温度和日 能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最 照强度下具有唯一的最大功率点,当太阳电池工作 大功率,不断获得最大功率输出,这就是太阳电池的 在该点时能输出当前温度和日照条件下的最大功 最大功率跟踪。实现最大功率跟踪有不同的方法, 率。但由于太阳电池的输出特性受负荷状态、日照 如问歇扫描法、功率回授法、扰动观察法、电导增量 量、环境温度等因素的影响,太阳电池阵列的电压和 法等。比较各种方法,各有所长,笔者觉得电导增量 电流均发生很大的变化,从而使输出功率不稳定,即 法最大的优点是当太阳电池上的照度产生变化时, 最大功率点时刻在变化,导致光伏系统效率降低。 其输出端电压能以平稳的方式追随其变化,其电压 另外,由于太阳电池的输出特性是复杂的非线性形 波动较扰动观察法小,不易引起输出电压振荡,输出 式,难以确定其数学模型,所以无法用解析法求取最 功率稳定。 大功率。因此如何进一步提高太阳电池的转换效 7O P眦 率,充分利用光伏阵列所转换的能量,一直是太阳能 60 光伏发电系统研究的重要方向。为了充分利用太阳 5O 40 能以获取最大功率输出,必须跟踪、控制太阳电池的 京3O 最大功率点,最大限度地利用太阳能。 曩20 lO 1太阳电池的最大功率点跟踪原理和 0 5 10 15 一2O 25 控制方法【l】 电压/V 在光伏系统中一般要求太阳电池始终输出最大 图1太阳电池输出功率特性曲线 Fig.1 Output power character curvq:¥of solar cell 功率,即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。 1.1最大功率点跟踪原理 图I为太阳电池阵列的输出功率特性 曲线。由 线性电路原理如图2。 图可知,当太阳电池工作电压小于最大功率点电压 图2中负载上的功率为: (,一时,输出功率随太阳电池端电压 上升而增加; 工作电压大于最大功率点电压 时,输出功率随 12 R=( 。 收稿日期:2005-05.13 基金项目:“十五”国家重大科技攻关项目(2002BA901A44) 维普资讯 http://www.cqvip.com
998 太 阳 能 学 报 27卷 l 2 翮 { 0 tTI ,上 Fig.2 Simpl linem’;I、(’Ir( I】】l 将式(1)对R 求导,因为 R 都址 ’数.所以可得: — 一-I/:T, 一 。 …,1、 d尺 一’ (R+R ) 当R。:R.时,P 有最大值 .埘于线性电路来 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—DC变换电路都是强非线 性的,但在极短的时间内,可认为是线性电路。因 此,只要调节DC—DC转换电路的等效电阻使它始终 等于太阳电池的内阻,就可实现太阳电池的最大功 率输出,也就实现了太阳电池的最大功率点跟踪。 从图2中可以看出,当R。=R.时,R 两端的电压是 /2,这表明若R。两端的电压等于 /2,P 同样也 是最大值。因此在实际应用中,通过调节负载两端 的电压实现太阳电池的最大功率点跟踪。 1.2最大功率点跟踪的控制方法 DC—DC变换器是一种通过控制电压将不可控的 直流输入变为可控的直流输出的变换电路,目前被 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 。我们在设计中将Dc.Dc变换器接人 太阳电池的输入回路,并将对DC—DC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DC—DC转换器内 部开关管占空比的变化等值改变其负载大小,控制 太阳电池的输出电流以实现最大功率点跟踪。由于 采用了升降压式(Buck.Boost)DC.DC转换电路 来 实现最大功率点跟踪,所以该方法电路简单、软硬件 结合、控制方法灵活,可以跟随环境的变化,准确地 光照太阳电池输出的最大功率点,同时在跟踪过程 中引起输出电能的振荡和波动极小。升降压式 (Buck·Boost)DC.DC转换电路原理如图3。 图3升降压DC-DC转换器原理图 Fig.3 Buck—Boost DC—DC conveners schenatic diagram 在开关管处于导通状态时,电源给电感充电,L 上的电流逐渐增大;在开关管截止时,电感放电,L 上的电流逐渐减少。图4显示了电感L、负载尺上 电流的变化波形以及c、P点间的电压 。和输出电 压 ,的变化波形。从图4中可看出:输出电流, 与电感上的电流, 方向相反,而且输出电压 与 的极性也相反。可以看出采用限制蓄电池充电 电压范围的方法非常方便,只要根据输入电压,通过 调节Q 的占空比就可以完成。 ! ! △,1一 Ir1 j]I ] ] I I ! 4升降压DC-DC转换电路波形图 Fig.4 Buck—Boost DC—DC converens circuit waveforms 1.3最大功率点跟踪的算法“】 本文采用增量电导法来实现最大功率点跟踪 (Incremental Conductance Method,简称IncCond法)是 MPPT控制常用的算法之一。增量电导法能够判断 出工作点电压与最大功率点电压之问的关系。对于 功率P有下式: P=,X V (3) 将式(3)两端对 求导,并将,作为 的函数,可得: dPdV= dV一 =,+ dV 一 .r (4)斗, 从式(4)可知,当 dV>o n ̄, 小于最大功率点电压; 当 <0时, 大于最大功率点电压;当 dV:0时, 即为最大功率点电压。即: 维普资讯 http://www.cqvip.com
l0期 赵庚申等:最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 当 < 一时: 当 > 时: >一 <一 dI=I (5) 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,所以采用模糊控制的方法来调 当 =VmJ' ̄: (6) 节工作点是非常合适的。本设计中利用模糊规则可 变的控制DC—DC变换器的调整量△ ,从而找到最 (7) 大功率点。本方法的优点是只关注发电功率实际大 小,不管日照量有多大的变动,都能高速的跟踪最大 功率点。 这样,可以根据 与一 之间的关系来调整工作点 电压而实现最大功率点的跟踪。这里引入一个参考 在应用模糊控制方法时,要先判断而al与一 之 电压 .图5即为增量电导法的流程图。 图5增量电导法流程图 Fig.5 IncCond method flow chart 图5中, 、, 是新测量出的值,根据这两个值 计算电流和电压的变化。首先要判断dV是否为0, 如果电压、电流没变化,则不需要调整;如果电压没 有变化,而d,不为0,那么就根据d,的正负对参考 电压进行调整。假如dV不为0,再根据式(5)、(6)、 (7)给出的关系,对参考电压进行调整。所以增量电 导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。 1.4调整电压△ 的确定 在图5中,调整电压△ 的设置关系到算法能 否准确的实现最大功率点跟踪功能。△ 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 △ 的确定是采用变化的△ ,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△ ,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△ ,使工作点不会跨过 最大功率点而远离它。在本电路中调整△ 采用模 糊控制方法。 模糊控制实质上是利用经验知识的一种专家式 控制方法|5 。模糊控制特别适用于数学模型未知 的、复杂的作线性系统 ]。而光伏系统正是一个强 间的关系及二者的差值或d,值,然后根据模糊逻辑 算法预先计算好的表格查询出新的占空比的调节 值,进而对PWlVl进行调节。这部分的流程如图6所 示。 图6算法实现子程序流程图 Fig.6 Arithmetic subprogram flow chart 2最大功率点跟踪电路 2.1电路及单片机系统 实现最大功率点跟踪控制,需要将DC.DC变换 器接到太阳电池输出与负载之间,分别测量太阳电 池和DC.DC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脉冲以控制DC.DC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DC.DC转 换电路输出电压的测量,都选用了高性能差动放大 器。在对DC.DC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 ATtinyl5L_7J该单片机具有4通道l0位A/D转换、 频率150kHz、8位高速PWM输出口。 2.2程序部分 ATtiny15L在对测 出来的电压和电流进行计 维普资讯 http://www.cqvip.com
10o0 太 阳 能 学 报 27卷 算时,需要自行编制乘法、除法子程序。由于DC—DC 转换是通过单片机输出的PWM控制开关管实现的, 因此在程序中最终是对PWM输出的占空比进行调 电池功率为80W,工作电压16.5V的多晶硅太阳电 池一块,大功率可调电阻一个。当开关K1闭合,转 换开关I<2打到“1”时,调整可变电阻,电流可以从零 节。主程序的流程如图7所示。 图7主程序流程图 Fig.7 Main program flow chart 实际上PWM输出不能无休止的调节,当太阳电 池的输出很小时,系统应停止工作,直到太阳电池的 输出恢复到一定值,再继续工作。其中,在计算而dl— f|I./ (一 )时,由于ATIiny15L没有除法指令,因此需要 调用除法子程序。最大功率跟踪控制电路原理如框 图8所示。 态显示 蠢捶割 图8最大功率跟踪控制系统电路原理框图 Fig.8 The maximum power point tracking cortrol system circuit chematic diagram 3最大功率跟踪的试验测试 最大功率跟踪测试系统如图9所示,其中太阳 变到短路电流,电压也随着变化。当K1打开时电压 为开路电压,电流为零。当光照强度不同、可变电阻 阻值不同时,太阳电池的输出功率不同,输出特性有 较大的改变。而光照强度完全取决于自然的天气清 况,每一瞬间都可能发生变化。测试方法如下: 大功率转 太 图9最大功率跟踪测试原理图 Fig.9 n1e ̄ml//ll power point tracking testing schematic diagram 1)当图9中开关K1闭合、转换开关I<2掷向“1” 时,太阳电池输出电压加在可调电阻两端,调整电阻 值使输出电流最大,可以测试出太阳电池的输出电 流值、电压值(见表1)。当开关Kl断开时太阳电池 输出为开路电压,电流为零; 2)在相同光照下将开关I<2掷向“2”时,太阳电 池输出最大功率跟踪,同时测出太阳电池输出的电 流值、电压值(见表2)。由实测数据可绘出未接最 大功率跟踪控制单元及接人最大功率跟踪控制单元 后,照度与太阳电池输出功率点的曲线如图10。 60 5O跟踪 0 lO 2O 3O 40 5O 60 光照/kLux 图l0最大功率跟踪输出曲线 Fig.10 The maximum power point tracking output etlrves 曲线表明,虽然光照强度发生了改变,但经过最 大功率跟踪(DC—DC变换器)控制,能够迅速跟踪太 阳电池最佳工作点,且跟踪效果良好,提高了太阳电 池发电效率。 维普资讯 http://www.cqvip.com
10期 赵庚申等:最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 100l 表1未接最大功率跟踪 Table 1 Not connect maximum.power point tracking 机和模糊控制,能较准确跟踪太阳电池输出的最大功 率点。在光伏发电系统中应用最大功率点跟踪技术 后可以使系统增加输出功率,更加充分利用太阳能。 在新能源发电技术中,采用最大功率点跟踪技术实现 光伏系统的最大功率输出具有重要的现实意义。 [参考文献] Chihchiang Hua,Chihming Shen.Comparative study of peak owepr tracking tchnieques for solar storage systeml A J.1EEE Applied Power Elctreonics Conference and Exposition(APEC’ 98)[C],1998,67 [2] 表2接入最大功率跟踪 Table 2 Connect maximuinpowerpoint tracking 5. Chihchiang Hua,Chihming Shen.Study of maximuin power tracking tchnieues aqnd control of 19(3/19(3 converters for pho— tovoltaie power system[A].IEEE Power Elcteronics Special— ists Conference(PESC’98)[C],1998,86r_-93. [3] TI Application Report.Understanding buck—boost power stages in switehmode owepr supplis[eJ].TI Mixed Signal Products, 1999,2--30. [4] Hussein K H,Muta I,Hoshino T,et a1.Maximum photovol— taic power tracking:an algorithm for rapidly changing atmo— sDheric conditions[A].IEEE Proc—Gener Transm Distribl C J, 1995,142(1):59_—64. [5] 李士勇,夏承光.模糊控制和智能控制理论与应用 [M].哈尔滨工业大学出版社,1990. [6] Mabmoud A M A,Mashaly H M,Kandil S A,et a1.Fuzzy logic implementation for photovoltaie maximuin power tracikng[A]. 4结束语 Proceedings ofthe 200O IEEE International Workshop Oil Robot and Human Interactive CommunicationlC J,2OOO,27—29. 在不同的最大功率点跟踪的方法中,笔者认为 [7] 耿德根,宋建国,马潮,等.AVR高速嵌入式单片机 DC—DC转换电路方法简单,实用性强。由于采用单片 原理与应用[M].北京航空航天大学出版社,2001. RESEARCH oN REAI IZATIoN I、,Ⅱ S AND PR CⅡ)LE oF MAX 仉 僵Po、vER Po T TRAC G Zhao Gengshen,Wang Qingzhang,Xu Shengzhi (Institute ofPhotoelectronics,NanKai University,Tianjin 300071,Ch/na) Abstract:The MPVF(maximum power oipnt tracking)techniques,the principle and control methods of DC—DC conver— sion in solar PV power system were discussed in this paper.MPFF was implemented with a DC—DC conversion circuit. MCU measure and contolr system.The realization of controlling means of maximal power point tracking and disposal of data show effect of maximum power point tacking system.r Keywords:PV power system;DC-DC conversion;maximum power point tracking;photovoltaics system 联系人E-mail:zhaogs@163.COB
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