太阳能电池最大功率点跟踪系统

课程设计报告

课程

题目

学院

年级专业

班级学号

学生姓名

指导教师

设计时间

目录

一、摘要 (3)

二、绪论 (3)

三、内容 (3)

2.1光伏电池的特性 (3)

2.2 MPPT基本原理 (4)

2.3 MPPT控制的实现 (5)

2.3.1控制算法 (5)

2.3.2硬件实现 (6)

2.3.3 软件实现 (7)

2.4实验结果分析 (7)

四、结论 (8)

五、参考文献 (8)

一、摘要

太阳能光伏阵列的输出特性受外界环境的影响具有强烈的非线性，为了提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。本文通过对太阳能电池伏安特性的分析，采用自适应扰动观察算法，基于TMS320F2812设计了MPPT控制系统。实验结果表明，在此算法控制下，系统能够准确地跟踪最大功率点。

二、绪论

随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急。太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点。光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题。光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池阵列的光电转换效率太低。为了解决该问题，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，进行最大功率点跟踪(MPPT)，使之始终工作在最大功率点附近。目前，光伏系统的最大功率点跟踪问题已成为学术界研究的热点。

高性能的数字信号处理芯片(DSP)的出现，使得一些先进的控制策略应用于光伏发电控制系统成为可能。本论文就是在此背景下，采用TI公司生产的TMS320F2812进行控制，开展了太阳能发电系统的理论和试验研究，具有重要的现实意义。

三、内容

2.1光伏电池的特性

太阳能电池的输出特性是非线性的，它受到光照强度、环境温度等因素的影响。太阳能电池的等效电路如图1所示，图2是光伏电池在不同温度下的I-V、P-V特性，图3为光伏电池在不同日照强度下的I-V、P-V特性。[1][4][7]

从图2可以看出，太阳能电池开路电压V0。主要受电池温度的影响；从图3可以看出，太阳能电池短路电流Is。主要受日照强度的影响，而且在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率输出点。由于实际应用中不能保证其总是工作在最大功率点上，所以在应用中要用到MPPT装置，以保证太阳能电池的输出功率在最大功率点的附近。

2.2 MPPT基本原理

MPPT的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻功率相比较，舍小取大，再检测，再比

较，如此周而复始。MPPT控制系统的DC-DC变换的主电路采用Boost升压电路。图4为Boost变换器的主电路，电路由开关管T、二极管D、电感L、电容C组成。工作的原理为在开关T导通时，二极管D反偏，太阳能电池阵列向电感L存储电能；当开关T断开时，二极管导通，由电感L和电池阵列共同向负载充电，同时还给电容C充电，电感两端的电压与输入电源的电压叠加，使输出端产生高于输入端的电压。Boost电路输入输出的电压关系为：V0=VI／(1-D) (1)

当Boost变换器工作在电流连续条件下时，从式(1)可以得到其变压比仅与占空比D有关而与负载无关，所以只要有合适的开路电压，通过改变．Boost变换器的占空比D就能找到与太阳能电池最大功率点相对应的VI。

2.3 MPPT控制的实现

2.3.1控制算法

目前实现太阳能MPPT常用的算法有扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)。[3][6]前者的算法结构简单、检测参数少，应用较普遍，但在最大功率点附近，其波动较大；后者的算法波动较小，但较为复杂，跟踪过程需花费相当长的时间去执行A／D转换。

系统采用自适应扰动观察法，通过对扰动观察法的改进，引进一个变步长参数λ(k)来解决在最大功率点附近波动大的问题，其中λ(k)=ε|△P|式中ε是一个恒定的常数，自适应扰动观察法的程序流程图如图5所示。图中e决定了跟踪精度，λ(k)为占空比步长，决定功率变化的步长，η为扰动方向控制系数，取值为1。当|△P|

2.3.2硬件实现

控制电路使用TI公司的TMS320F2812 DSP作为主控制芯片，其快速的运算能力、丰富的外设资源能为整个控制系统提供一个良好的平台。DSP是整个控制系统的核心，它接受采样电路送来的模拟信号，按照控制算法对采样信号进行处理，然后产生所需要的PWM 波形，经驱动放大后控制主电路功率开关管的通断，从而实现MPPT。TMS320F2812在时钟频率150MHz下，其时钟周期仅为6．67ns，8通道16位PWM脉宽调制，2×8通道12位A／D转换模块，一次A／D转换最快转换周期仅为200ns。TMS320F2812 DSP芯片的这些特点能够满足MPPT控制精度和速度的要求。

采用其中两路A／D转换输入通道作为太阳能电池的输出电流和电压的采集通道，经过MPPT控制产生驱动PWM波形控制DC-DC开关管的导通时间，其控制的框图如图6所示。

2.3.3 软件实现

MPPT的控制流程图如图5所示，其功能是在中断服务模块中完成的。在主程序中主要是完成对寄存器，定时器以及PWM的初始化，其流程图如7所示。

2.4实验结果分析

为验证MPPT系统的有效性，设计了MPPT实验系统，并与无此装置下光伏电池的发电状态进行比较。实验系统的太阳能电池采用大禾科技有限公司的多晶硅电池组件DH-20，其性能参数为：开路电压V oc=21．5v；短路电流Isc=1．30A；标称功率PM=20W，蓄电池为24V／12Ah铅酸蓄电池。实验结果见表1。由实验数据可知，接入MPPT装置后，光