金融工会基于DSP的光伏汽车MPPT控制器的研究与应用
吴仕宏;李荣;吴修世;朱丽舫
【摘 要】为了提高光伏汽车的光电转化率,在外界环境变化时能保证光伏电池有一个较高的能输出,采用变步长电导增量法,基于TMS320LF2407设计了光伏汽车最大功率跟踪控制系统,并对带有MPPT控制器的光伏电池输出特性进行分析.结果表明:所设计的光伏控制器设计理念可行,能较好地提高光伏电池的光电转换效率.%In order to improve the photoelectric conversion of solar vehicle,ensure the photovoltaic cell output more energy,a MPPT control system bad on TMS320LF2407 was designed with variable-step conductance increment.We analysis The PV's output characteristics was analyzed,with MPPT control system.The experimental results showed that the design concept was viable,and the photo-voltaic controller could improve Photoelectric conversion rate of photovoltaic cell.
【期刊名称】《沈阳农业大学学报》
【年(卷),期】2013(044)003
【总页数】4页(P357-360)
【关键词】安培晴明DSP 车载光伏发电系统;MPPT 控制;变步长电导增量法;BUCK-BOOST 电路
【作 者】吴仕宏;李荣;吴修世;朱丽舫
【作者单位】沈阳农业大学信息与电气工程学院,沈阳110161;沈阳农业大学信息与电气工程学院,沈阳110161;营口供电公司,辽宁营口115000;营口供电公司,辽宁营口115000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM932
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太阳能电池是光伏汽车的主要动力来源，推广光伏汽车能减少对不可再生能源的利用，同时能大幅减少对大气环境的污染。目前光伏汽车主要分为两种类型：一种属于概念性的光伏汽车，设计者在车的上部覆盖大面积的光伏电池，紧靠其产生的巨大电能足以驱动车辆运行，多余的电能可储存在车载锂电池中。由于这种车辆覆盖了大面积的太阳能板，其造价较高，且由于其外形较普通车辆有较大差别，不便于推广。另一种是在普通车顶部搭载
光伏电池，首先把光伏电池的输出电能储存在车载蓄电池中，车辆行驶过程中由蓄电池和光伏电池协同为车辆供电。
由于光伏电池的光电转化率较低，且易受外界光照和温度的影响，需要设计光伏控制系统，检测外界环境的变化，并快速调整系统参数，使光伏电池始终工作在最大功率点附近[1]。目前针对光伏电池的设计理念有很多，根据不同的设计需求，选用的算法也有差别。本研究采用DSP芯片TMS320LF2407作为光伏控制器的主控芯片，选用变步长电导增量法作为跟踪控制算法，设计车载光伏控制器，进行试验，并采集试验数据，验证设计的可行性。
1 光伏电池特性
车载光伏发电系统的电力来源是由位于车顶的光伏阵列提供的，由无数的光伏电池通过串并联组合而成。目前应用较多的光伏电池是硅电池。光伏电池输出特性受外界温度和光照条件影响，在温度和光照强度一定的条件下存在唯一的最大功率点[2]。典型的电气模型如图1。
输出负载RL上的电压电流关系为：
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式中：q，k为电子电荷量及玻尔兹曼常数；A为太阳能板的理想因数，其中A=1.5;T为太阳能板的温度；Ios为太阳能板的逆向饱和电流。
在同一光照强度同一温度下，光伏电池输出功率最大且唯一。在实际的环境中通过应用MPPT控制器可使得光伏电池始终工作在最大功率点附近[3]。
图1 光伏电池电气模型Figure 1 Photovoltaic battery electric model
图2 BUCK-BOOST主电路图Figure 2 Main circuit of BUCK-BOOST
2 MPPT控制原理
英雄是什么MPPT控制的过程是一个自动寻优的过程，通过对光伏电池的输出端采样，得到即时电流电压，然后芯片通过预先设定的算法对数据进行运算，若达到要求则输出，否则，对电路的参数进行自动调整后继续检测，周而复始[4]。车载光伏控制器中使用的DC-DC（直流变换）电路采用BUCK-BOOST电路，图2为BUCK-BOOST主电路。电路由开关管（Q）、二极管（D）、电感（Lf）、电容（Cf）组成。当开关管导通时，二极管处于反向截止状态，光伏电池向电感（Lf）储能，当开关管断开时，电感（Lf）放电，给负载供电的同时给电
容（Cf）充电，当Q再次导通，光伏电池给电感（Lf）充电的同时，电容（Cf）给负载供电。通过调整Q的开关时间可以达到调整输出电压的目的。输出端的电压公式为：
式中：D为占空比，表示开关管导通时间与总工作时间的比。调整D的大小，可使得输出电压或大于或小于输入电压，使得光伏电池有一个较宽的工作电压。当BUCK-BOOST变换器工作在电流连续条件下时，从式(2)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BUCK-BOOST变换器的占空比D就能找到与光伏电池最大功率点对应的电压。
3 MPPT控制器的设计
3.1 算法研究
目前实现光伏电池MPPT控制的算法有扰动观察法、滞环比较法及电压增量寻优法、恒定电压法、导纳增量法、模糊控制法等[5-6]。鉴于光伏汽车的设计要求，必须寻找一种在移动的设备上仍能迅速检测参数变化并能迅速跟踪到最大功率点的算法，同时还要使得算法易于实现，有助于光伏汽车的推广。
系统采用变步长电导增量法,当dP/dU小于0时曲线下降越快,斜率的绝对值越大，且最大功率点右侧斜率绝对值约为左侧斜率的4倍，所以此时应比在dP/dU大于0时进一步减小步长改进的变步长电导增量法，即利用最大功率两侧斜率绝对值的差异，在最大功率点左侧步长比例系数取k1，在其右侧比例系数取k2（k1=4k2），通过变系数变步长来实现快速跟踪，同时为了减小稳定条件下的振荡范围，通过设置振荡阈值，在最大功率点附近选取更小步长，以免在最大功率点右侧由于步长过大而直接跳到最大功率点的左侧，从而有效地缩小了在最大功率点附近的振荡[7]。
算法的表达式为：
补牙用什么材料算法流程图如图3。
图3 变步长算法流程图Figure 3 Circuit diagram of variable-step
3.2 硬件设计
控制系统采用TI公司的TMS320LF2407 DSP作为主控芯片，该芯片具有良好的运算能力和丰富的接口资源，为系统的开发提供良好的平台。TMS320LF2407芯片采用静态CMOS技
术，使得供电电压将为3.3V，30MIPS的执行速度使得频率在30MHZ时指令周期缩短为33ns，具有8通道的16位PWM脉冲宽度调制器，16通道的ADC电路。TMS320LF2407的这些功能能够满足该MPPT系统精度和速度的要求[8-9]。采用两路ADC转换输入通道作为光伏电池的输出电压和输出电流的信号采集输入通道，经DSP芯片处理，输出宽度可调的脉冲信号，控制DC-DC控制器开关管的开断，控制原理图如图4。
全白壁纸图4 MPPT控制器原理图Figure 4 Schematic of MPPT controller
3.3 软件设计
MPPT的控制器程序的设计主要是对DSP存储器的主程序、初始化子程序、A/D转换子程序以及芯片外设接口进行编程。通过在CCS开发平台中对程序进行编译调试无误后，通过XDS510仿真器对程序进行烧录。在中断模块完成，在主程序中完成的是对寄存器，定时器以及PWM发生控制器的初始化设定[10]，程流程图如图5。
4 试验结果与分析
为验证MPPT的有效性，设计了基于DSP的试验系统，在无遮挡的区域对电池进行测试，
系统采用的光伏电池开路电压Voc=21.5V，短路电流Isc=1.40A,表称功率PM=20W，蓄电池采用24V/12AH的铅酸蓄电池，在同一地点分6次采样，采样数据测定结果表明（表1），接入MPPT控制器后，光伏电池的输出特性有了大幅提升。
表1 试验结果对比Table1 Experimental results contrast
