MPPT算法

©2013MicrochipTechnologyInc.DS00001521A_CN第1页AN1521简介使用太阳能电池板或电池板阵列时，如果没有可执行昀大功率点追踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）的控制器，则常常会造成功率浪费，并昀终导致需要安装更多电池板才能满足相同的功率要求。对于电池直接连接到电池板的小型/低成本设备，由于缺少适当的充电完成程序和高电压，还会导致电池过早失效或电量损失。在短期内，不使用MPPT控制器将导致较高的安装成本，在一段时间后，成本将由于可能的设备故障而逐步增加。即使有合适的充电控制器，预计仍需要预先为额外的太阳能电池板多支付30-50%，这也使得MPPT控制器变得非常有吸引力。本应用笔记介绍如何使用昀常用的开关电源拓扑实现MPPT。许多已发表的论著涉及到此主题，但只有很小一部分介绍了如何实际使用硬件实现算法，并说明常见问题和易犯错误。即使将昀简单的MPPT算法与设计良好的同步开关电源配合使用，也可以预期至少有90%的电池板可用功率将留在电池中，因此好处是显而易见的。本应用笔记中展示的拓扑是反相SEPIC，但使用的技术可应用于降压、升压和SEPIC转换器。降压转换器是一个特例，因为其在连续导通模式（ContinuousConductionMode，CCM）下工作时具有线性电压传递函数。这使事情简单了很多，因为可通过直接对转换器占空比进行操作来实现MPPT控制器。其他拓扑具有非线性电压传递函数，直接对占空比进行操作将产生不可预测的结果，尤其是在高占空比时。在这种情况下，算法将使用比例积分（ProportionalIntegral，PI）控制环（可将电压调节到所需值）修改太阳能电池板工作电压。太阳能电池板MPPTMPPT算法解决的主要问题是自动查找允许昀大功率输出的电池板工作电压。在大型系统中，将单个MPPT控制器连接到多个电池板可获得很好的效果，但在部分遮挡的情况下，合并的功率输出图将有多个波峰和波谷（局部昀大值）。这将使大多数MPPT算法混乱而导致追踪错误。研究人员已提出一些方法来解决与部分遮挡相关的问题，但这些方法需要使用额外的设备（如额外的监视单元、额外的开关和用于扫描电池板电流的电流传感器）或使用基于电池板特性（与电池板阵列相关）的复杂模型。这些方法仅在大型太阳能电池板装置中有意义，不在本应用笔记的范围内。理想情况下，每块电池板或小型电池板阵列都应具有自己的MPPT控制器。这样，部分遮挡的风险可降至昀低，每块电池板都可在峰值效率下工作，并且消除了与处理大于20-30A电流的转换器有关的设计问题。典型太阳能电池板功率图（图1）中昀大功率点的右侧显示了开路电压。开路电压（VOC）显然是电池板输出的昀大电压，但不消耗功率。电池板的短路电流（ISC）是另一个重要参数，因为它是可从电池板获得的绝对昀大电流。作者：MihneaRosu-HamzescuSergiuOpreaMicrochipTechnologyInc.实现太阳能电池板MPPT算法的实用指南AN1521DS00001521A_CN第2页©2013MicrochipTechnologyInc.图1：太阳能电池板特性      ©2013MicrochipTechnologyInc.DS00001521A_CN第3页AN1521有关此主题的文献通常认为可从电池板提取的昀大功率取决于三个重要因素：辐照度、温度和负载。通过直流-直流转换器来匹配电池板和负载阻抗是很有意义的，例如，如果有5V/2A的负载，以及MPP为17.5V/1.15A的20W电池板，则直接连接负载无法正常工作。考虑到简单的阻性负载，以及1.25A的短路电流，电池板只能提供约3V/1.2A，或不到4W（昀高20W）。温度主要改变电池板电压工作点，而辐照度主要改变电池板工作电流。图1显示了不同辐照度对电池板电压、电流和功率的影响。有几种MPPT算法可通过8位单片机轻松实现。分数开路电压在不同辐照度和温度条件下，昀大功率点电压与开路电压VOC线性相关。MPP（昀大功率点）的计算归结为以下公式：公式1：常量k取决于光伏电池板的类型和配置。必须以某种方式针对不同环境条件测量开路电压并确定MPP。通常，系统会定期断开负载来测量VOC并计算工作电压。此方法存在一些明显的缺点，功率的临时损耗便是显而易见的一个。一种替代方法是使用一个或多个监视单元，但需要非常仔细地选择和放置这些监视单元，才能反映真实的系统开路电压。尽管此方法十分简单和稳定可靠，且不需要单片机，但通过常量只能得到MPP的粗略近似值。其他算法将显著增加从同一PV装置消耗的昀大功率。分数短路电流还可以通过电池板的短路电流（ISC）确定MPP，因为在变化的大气条件下，IMPP与该短路电流线性相关。公式2：与分数开路电压类似，必须确定每种系统类型的常量。确定ISC更具挑战性，因为时常执行此操作不仅会增加功率损耗和热量耗散，还需要使用额外的开关和电流传感器。显然，这将增加元件数量和成本。昀简单的实现不需要单片机，但为了达到更高精确度并解决与部分遮挡相关的问题，需要更强大的处理能力来扫描从0到ISC的电池板电流，并记录输出电压曲线。VMPPkVVOC=IMPPkIISC=AN1521DS00001521A_CN第4页©2013MicrochipTechnologyInc.扰动观察法（P&O）图2：P&O法P&O法是昀常讨论和使用的MPPT算法之一。该算法在电池板工作电压中引入了扰动。通过修改转换器占空比来修改电池板电压。此操作的实现方式对于一些转换器拓扑很重要。观察图2可以很容易看出，降低MPP右侧的电压将增加功率。同样，提高MPP左侧的电压也将增加功率。这就是P&O法背后的主要思想。也就是说，提高电池板工作电压后，算法会将当前功率读数与上一功率读数进行比较。如果功率增加，则保持相同方向（提高电压），否则更改方向（降低电压）。在每个MPP追踪步长下均重复此过程，直到达到MPP为止。达到MPP后，算法将在正确值附近自然振荡。基本算法使用固定步长来提高或降低电压。步长决定了在MPP附近振荡时的偏差大小。使用小步长有助于减少振荡，但会降低追踪速度，而使用大步长可加快达到MPP的速度，但会增加振荡时的功率损耗。要实现P&OMPPT，应用需测量电池板电压和电流。虽然一些实现仅使用一个传感器，但这些实现利用了某些硬件特性，因此通用实现仍将需要两个传感器。开始是是否否降低工作电压提高工作电压PkPk-1?PkPk-1?Pk=当前功率读数Pk-1=上一功率读数©2013MicrochipTechnologyInc.DS00001521A_CN第5页AN1521增量电导法图3：INCCOND算法增量电导算法的依据是电池板功率－电压微分（或斜率）曲线在MPP处为0，在MPP左侧为正，右侧为负。公式3：功率微分也可以写成：公式4：因此第一组公式（1）可以改为：公式5：主要思想是将增量电导（）与瞬时电导（）进行比较。根据结果，提高或降低电池板工作电压，直到达到MPP为止。与在MPP附近自然振荡的P&O算法不同，增量电导法在达到正确值后将停止修改工作电压。电池板电流的变化将使MPP追踪重启。根据环境条件，可通过初始公式（）实现相同功能。开始ΔV=VK-VK-1ΔI=IK-IK-1ΔP=PK-PK-1ΔV=0？ΔP/ΔV=0？ΔP/ΔV0？ΔI=0？ΔI0？降低工作电压降低工作电压提高工作电压提高工作电压返回否否否否是是是是是否dPdV-------0atMPP,=dPdV-------0，MPP左侧dPdV-------0，MPP右侧⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧dPdV------0，MPP处=1()dPdV-------dIV()dV--------------IdVdV---------VdIdV---------IVdIdV-------+=+==IVdIdV-------IVIΔVΔ-------+≅+dPdV------0atMPP,=IΔVΔ-------IV---–leftofMPP,IΔVΔ-------IV---–rightofMPP,⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧IΔVΔ-------IV---–MPP,=2()，MPP处，MPP左侧，MPP右侧ΔIΔVIVΔPΔVAN1521DS00001521A_CN第6页©2013MicrochipTechnologyInc.基本增量电导算法使用固定步长来更新电池板工作电压。使用大步长将加速追踪，但也可能导致算法在MPP附近振荡而不是锁定。实现增量电导算法需要电池板的电压和电流输出值（两个传感器）。由于需要追踪上一电压和电流值，因此通常使用PIC®MCU或dsPIC®DSC器件实现此算法。©2013MicrochipTechnologyInc.DS00001521A_CN第7页AN1521MPPT硬件平台图4：MPPT原理图C21220pFR13100kU2.2B_+MCP6V02(Part2)R16100RISENSE_IN21756212211R121kR1R20R0100R0101221GND1U2.3V-V+GNDAMP_VDD48AMP1uFC22GND12112121VPVJ1-VPVGND1VPV1C2810uFC27C2610uF10uF10uF10uF10uF10uF10uF10uFC3C19C25C24C4C5C29122221111111222221J1BUT+5VGNDPGD/FAULTPGC/ISENSE_OUTMCLRVCCGNDPGD-ICDPGC-ICDNOCONNECT123456C21uFC6100nFIC11221HIGHDRBOOTPWMGNDNC0PHASEFCCMVCCLOWDRVPVR3BAT42C1C7C8SI4154SI4154Q1MCP1462810uF10uF10uFGNDGNDR410R+5VGNDC121uF1122111234567811kKA12876512344567832110uHWE744363*2110uHWE744363*2112221111GNDGNDQ2GND11111GNDGNDGNDGND1VOUTJ2-OUT1212C30C10C11C9C2010uF10uF10uF47uF47uF1122222111GND10R0100R010R5R61122GND11210nFC151kR712GND112R141k220pFC23100kR15MCP6V02(Part1)2121231U2.1+-A100RR1721PGC/ISENSE_OUTGNDPIC16F15031413121110981PGD/FAULTPGC/ISENSE_OUTVSENSE_INSCLSDAISENSE_IN1234567VSSRA0/ICSPDATRA1/ICSPCLKRA2RC0RC1RC2VDDRA5RA4MCLR/VPP/RA3RC5RC4RC3+5VC16100nFGND1112B1GND1BUTJ3-BUT123412LEDR181221D2GNDVPVVOUT112R912k11VIN_DIV11221GNDR11C171nF3k21R830kVOUT_DIV10kGND_SEL1C181122R101nF1U1VINVOUTGND(TAB)GND(TAB)VPV+5V1112321C1410uFGNDGNDGND114112C131uFMCP1790_DBDIV_GNDNC0BUTLEDAMP_VDDVSENSE_OUTAN1521DS00001521A_CN第8页©2013MicrochipTechnologyInc.为了演示和测试本应用笔记中的MPPT算法，使用了AN1467，《采用反相SEPIC（Zeta）拓扑的高功率CC/CV电池充电器》中介绍的同步反相SEPIC（ZETA）硬件平台。PIC16F15