李虹飛

基于優(yōu)化MPPT算法的快速高效光伏充電控制器設計

李虹飛

濟源職業(yè)技術(shù)學院, 河南 濟源 459000

為了有效提高光伏電池板的輸出功率，設計一種快速、高效和經(jīng)濟的光伏充電控制器。本文首先將恒壓式最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）算法和電導增量式MPPT算法相結(jié)合，提出了一種新的優(yōu)化MPPT算法。該算法可以從電導增量中獲得實際功率，并且工作速度比電導增量式MPPT更快，開路電壓只需測量一次即可將功耗降至最低。經(jīng)數(shù)字信號處理器（digital signal processing，DSP）開發(fā)板對太陽能電池板（Solarex-MSX-60）測試，該充電控制器的性能較其他光伏充電控制器表現(xiàn)出良好的動態(tài)響應速度且精確度較高。

充電控制器; MPPT

現(xiàn)如今全球變暖已經(jīng)不僅是環(huán)保主義者討論的重要問題，也是社會大眾經(jīng)常討論的熱門問題。目前，全球大部分能源消耗仍然十分依賴化石燃料供給。全球能源供應中只有10%來自可再生能源[1-3]。雖然太陽是所有能源的主要來源，但現(xiàn)階段太陽能的利用率如此之小，以至于在滿足世界能源需求的貢獻方面被列在其他能源之后。光伏能源是可再生能源的主要來源之一，與其他形式的可替代能源相比，光伏能源因其可用性、簡單性、低維護性、環(huán)境友好性、可靠性和許多其他益處而更受青睞[4]。

光伏陣列(由幾個太陽能電池組成)使用光子通過光伏效應發(fā)電，而光伏效應是指材料在暴露于光線下時產(chǎn)生電壓或電流[5]。在特定時間內(nèi)照射到給定區(qū)域的太陽能稱為日照。單位時間的日照度定義為輻照度。隨著輻照度的增加，會產(chǎn)生更多的能量。溫度對太陽能電池也有影響，因為溫度越高，發(fā)電量越低。即使在固定的輻照度和溫度下，太陽能電池也不會產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓或電流。光伏陣列具有非線性的電流-電壓特性。為了確保光伏陣列產(chǎn)生最大輸出功率，使用了一種稱為最大功率點跟蹤(MPPT)的技術(shù)[6]。

目前，已經(jīng)提出的MPPT算法有很多種。一些較常用和有效的MPPT技術(shù)有恒壓法、β法、系統(tǒng)振蕩法、紋波相關(guān)法、電導增量法和擾動觀察法[4-6]。在這些技術(shù)的基礎上，不少研究人員提出了各種改進的MPPT方法，例如文獻[7]提出了一種基于變步長擾動觀測法的MPPT算法，解決了傳統(tǒng)擾動觀測法中因固定步長導致的穩(wěn)態(tài)性差問題。但是這種方法計算較為復雜，且動態(tài)響應速度不夠理想。因此，本文將恒壓式MPPT算法和電導增量式MPPT算法相結(jié)合，提出了一種新的優(yōu)化MPPT算法。并在此基礎上，利用SEPIC轉(zhuǎn)換器和Buck轉(zhuǎn)換器，設計一個快速、高效的光伏充電控制器。

1 相關(guān)原理介紹

即使在固定的輻照度和溫度下，光伏陣列也不會產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓或電流。太陽能電池的I-V特性隨著負載的變化而變化。圖1和圖2分別顯示了典型太陽能電池的I-V特性和P-V特性。

圖 1 I-V特性

圖2 P-V特性

1.1 恒壓MPPT

在目前已提出的MPPT技術(shù)中，恒壓MPPT的算法最簡單，因此最容易實現(xiàn)。在恒壓MPPT算法中，提供給負載的電力被暫時中斷，并測量開路電壓V。然后，控制器恢復工作，電壓控制在固定的V比率，如0.76。特定常數(shù)定義為:

式中，V為最大功率輸出時的光伏陣列電壓。占空比：

然而，這種方法產(chǎn)生了一個近似的結(jié)果，并且沒有考慮氣候變化引起的V的變化。

1.2 電導增量MPPT

電導增量法的理論是通過測量和比較光伏組件的增量電導(/)和瞬時電導(?/?)來確定光伏組件端電壓的方向變化。如果增量電導的值等于瞬時電導的值，則獲得最大功率點。

2 光伏充電控制器設計

設計充電控制器的輸入為光伏陣列的輻照度和溫度。將光伏陣列連接到SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中PWM開關(guān)信號由MPPT算法提供。然后將SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Buck轉(zhuǎn)換器[8]，以確保Buck轉(zhuǎn)換器的電壓輸出保持在14 V，這是有效充電12 V電池所需的電壓（圖3）。

圖 3 充電控制器系統(tǒng)的框圖

2.1 提出的優(yōu)化MPPT算法

本文提出了一種結(jié)合恒壓方法和電導增量方法的優(yōu)化MPPT算法。該優(yōu)化MPPT算法通過瞬間斷開負載來獲得開路電壓。在此期間，使用電容器為負載供電。通過以固定速率切換SEPIC轉(zhuǎn)換器（用于執(zhí)行MPPT操作）的柵極，一部分V被提供給負載。然后根據(jù)電導增量算法改變占空比，得到最大功率點。該優(yōu)化MPPT算法的具體步驟如圖4所示。

圖 4 提出優(yōu)化MPPT算法的實施步驟

2.2 SEPIC轉(zhuǎn)換器

光伏陣列連接到SEPIC轉(zhuǎn)換器，其中門控信號通過前面討論的MPPT算法提供。SEPIC轉(zhuǎn)換器是一種DC-DC轉(zhuǎn)換器，類似于buck-boost轉(zhuǎn)換器[9]。與buck-boost轉(zhuǎn)換器相比，它的輸出極性與輸入電壓相同，通過使用串聯(lián)和附加電容，可以更快地響應輸入和輸出的變化。光伏陣列的電壓和電流值分別由電壓和電流傳感器測量，因此SEPIC轉(zhuǎn)換器的柵極被相應地切換，以確保光伏陣列處于理想的工作狀態(tài)。SEPIC轉(zhuǎn)換器的參數(shù)由以下公式定義：

式中，表示轉(zhuǎn)換器的占空比，V表示二極管的正向壓降，V表示輸入電壓，V表示輸出電壓，?I表示電感紋波電流，表示最壞情況效率，1=1表示電感值，f表示開關(guān)頻率，C表示電容值，max表示最大占空比，?V表示輸出紋波電壓，I表示輸出電流。

2.3 Buck轉(zhuǎn)換器

SEPIC轉(zhuǎn)換器的輸出連接到Buck轉(zhuǎn)換器，Buck轉(zhuǎn)換器又用于電壓調(diào)節(jié)。在Buck轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓小于輸入電壓[10-13]。將Buck轉(zhuǎn)換器的輸出與參考電壓進行比較，并將誤差信號發(fā)送給比例積分（proportional integral，PI）控制器，然后將PI控制器的輸出與三角波進行比較，然后將所得脈沖用于開關(guān)場效應晶體管（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）Buck轉(zhuǎn)換器。Buck轉(zhuǎn)換器的參數(shù)由如下公式定義：

所提出充電控制器的完整電路圖如圖5所示。

3 結(jié)果與分析

為了驗證所提充電控制器的性能，并分析優(yōu)化MPPT算法的優(yōu)勢，利用TMS320F335 DSP[14]進行了具體測試。對于光伏陣列模擬器，考慮使用太陽能電池板（Solarex-MSX-60）[15]（圖6）。

圖 5 所提充電控制器的完整電路

圖 6 實驗設置

在實驗測試過程中，輻照度在600~1000 W/m2之間變化，如圖7所示。實驗中光伏模型相關(guān)參數(shù)[16]如表1所示。光伏陣列的電壓、電流和功率分別如圖8、圖9和圖10所示。

表 1 仿真模型相關(guān)參數(shù)

圖 7 輻照度變化

圖 8 光伏陣列的電壓

圖 9 光伏陣列的電流

圖 10 光伏陣列的功率

在局部陰影條件下，將本文提出優(yōu)化MPPT算法和文獻[7]的算法進行了對比分析，其中光照強度為1000 W/m2。優(yōu)化MPPT算法的最大功率點跟蹤結(jié)果（功率和電流）如圖11所示。文獻[7]算法的最大功率點跟蹤結(jié)果（功率和電流）如圖12所示。對比圖11和圖12可以看出，本文優(yōu)化MPPT算法能夠更快速的實現(xiàn)最大功率點跟蹤，且準確度較高。

圖 11 優(yōu)化MPPT算法的實驗結(jié)果

圖 12 文獻[7]算法的實驗結(jié)果

圖13為提出光伏充電控制器和文獻[7]中光伏充電控制器的電壓波形圖，其中光照強度為1000 W/m2。在0.03 s時環(huán)境溫度由12 ℃快速升高33 ℃。從圖13可以看出相比文獻[7]，提出光伏充電控制器的響應速度更快，曲線平滑且波動較小。

圖 13 兩種算法的電壓輸出對比

4 結(jié) 論

本文提出了一種適用于光伏系統(tǒng)的快速高效光伏充電控制器。該充電控制器包括SEPIC轉(zhuǎn)換器和Buck轉(zhuǎn)換器，并采用了新的優(yōu)化MPPT算法。將恒壓式MPPT算法和電導增量式MPPT算法相結(jié)合。DSP實驗結(jié)果驗證了所提充電控制器的可行性，響應速度更快且準確度較高。但是，所提光伏充電控制器在不同的環(huán)境溫度和光照強度條件下的穩(wěn)定性仍不夠理想，后續(xù)將開展進一步研究。

[1]Wang Y, Lin X, Pedram M. A Near-Optimal Model-Based Control Algorithm for Households Equipped With Residential Photovoltaic Power Generation and Energy Storage Systems [J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2017,7(1):77-86

[2]Dalala ZM, Saadeh O, Bdour M,. A New Maximum Power Point Tracking (MPPT) Algorithm for Thermoelectric Generators with Reduced Voltage Sensors Count Control [J]. Energies, 2018,11(7):1-16

[3]陳梓毅,曹燁,邱國玉.城市分布式光伏發(fā)電的經(jīng)濟和環(huán)境效益實證分析[J].生態(tài)經(jīng)濟,2018(6):100-105

[4]Fan Y. Control of Photovoltaic Power Generation Capacity by Solar Tracking System Based on Photoelectric Sensor [J]. Sensor Letters, 2016,14(12):1198-1202

[5]呂晨旭.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的光伏系統(tǒng)MPPT控制算法設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2018,41(3):132-135,140

[6]潘鳳紅,蘭建軍,李宇.太陽能充電控制器系統(tǒng)設計[J].電源技術(shù),2016,40(7):1460-1461,1486

[7]徐旭,楊向宇.一種改進的新型MPPT控制策略[J].電源技術(shù),2017,41(9):1353-1355

[8]Akshay K, Ravi KS. A Single Stage CCM Zeta Microinverter for Solar Photovoltaic AC Module [J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2015,3(4):892-900

[9]孫菊妹.基于DSP的改進PSO光伏陣列MPPT控制應用[J].電子器件,2018,41(1):158-163

[10]李艷,劉樹林.改進型本安Buck變換器的分析與設計[J].西安科技大學學報,2019,39(2):182-187

[11]李響,王佳文,周澤坤.一種適用于電流模BUCK電路的失控輔助電路[J].電子元件與材料,2019,38(7):76-79

[12]郭雙權(quán),李穎峰.基于移相全橋ZVS軟開關(guān)的大功率變換器設計[J]. 陜西理工大學學報:自然科學版,2018,34(1):38-44

[13]吳中山.基于DSP的改進擾動觀察法光伏MPPT實現(xiàn)[J].傳感器與微系統(tǒng),2018,37(9):87-89

[14]Alberto D, Francesco G, Marco M,. An Evolutionary-Based MPPT Algorithm for Photovoltaic Systems under Dynamic Partial Shading[J]. Applied Sciences, 2018,8(4):558-566

[15]Montoya DG, Ramos CA, Giral R. Improved Design of Sliding-Mode Controllers Based on the Requirements of MPPT Techniques [J]. Power Electronics IEEE Transactions on, 2016,31(1):235-247

[16]Kumar K, Ramesh BN, Prabhu KR. Design and analysis of an integrated Cuk-SEPIC converter with MPPT for Standalone wind/PV hybrid system [J]. International Journal of Renewable Energy Research, 2017,7(1):96-106

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

李虹飛(1975-),女,碩士,副教授,主要從事電氣控制工作. E-mail:jyslhf@163.com