基于STM32的MPPT光伏匯流箱設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種以STM32F103為控制芯片的MPPT匯流箱的設(shè)計(jì)方法，一片STM32F103控制四路BOOST電路，四路控制脈沖相位互錯(cuò)90度，以減小輸出紋波;RS485主從式的通訊架構(gòu);采用基于功率預(yù)測(cè)的MPPT算法，電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的控制方法;基于最小時(shí)間片的軟件設(shè)計(jì)。

引言

　　近年來(lái)，由于光伏技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電密度提出了越來(lái)越高的要求，電站業(yè)主希望單位光伏組件下，能夠取得更高的發(fā)電收益。在山地等地形復(fù)雜，朝向各異的光伏電站里，組串式逆變器和MPPT匯流箱由于在組串級(jí)集成了光伏最大功率點(diǎn)追蹤功能，越來(lái)越受到業(yè)主的青睞。然而，組串逆變器存在交流線損大和并網(wǎng)諧波大電能質(zhì)量較差、造價(jià)大等缺點(diǎn);MPPT匯流箱配合集中式逆變器，不但發(fā)揮了集中式逆變器電能質(zhì)量高諧波小，交流線損小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有組串式逆變器組串級(jí)MPPT追蹤的優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的追捧。但是，由于MPPT匯流箱較普通的匯流箱增加了成本，在方案設(shè)計(jì)和器件選型上必須充分考慮成本因素。一般的MPPT控制算法往往采用DSP等MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，但DSP器件成本相對(duì)一般的MCU成本較高。

　　STM32是意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的ARM CORTEX內(nèi)核的MCU，STM32F1系列屬于中低端的32位ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器，最高72MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25DMips/MHZ(DhrystONe2.1)，單周期乘法和硬件除法。由于具有性價(jià)比突出的優(yōu)點(diǎn)，再越來(lái)越多的領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

　　本文研究了一種基于STM32F103的MPPT匯流箱的實(shí)現(xiàn)方法，包括MPPT算法和控制的實(shí)現(xiàn)，TI IQmath庫(kù)在STM32上的移植，MPPT匯流箱電路結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法;列舉了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)效果。

1 MPPT匯流箱的電路結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，MPPT匯流箱集成了多路MPPT追蹤器，N匯一的MPPT匯流箱可以集成N路MPPT追蹤器。如圖2所示每?jī)陕稭PPT追蹤器共用一個(gè)STM32控制，構(gòu)成了一個(gè)MPPT追蹤器單元;每相鄰的兩路BOOST電路并聯(lián)二極管輸出，當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓，MPPT停止工作，采用二極管直通發(fā)電的形式，從而最大限度降低，BOOST升壓電路損耗;多路MPPT追蹤器采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，為了得到更小的紋波，MPPT追蹤器單元內(nèi)部四路BOOST采用互錯(cuò)90度相位輸出，其中G1和G2內(nèi)部?jī)陕稡OOST錯(cuò)180度相位。如圖2 BOOST1和BOOST2錯(cuò)180度相位，BOOST3和BOOST4錯(cuò)180度相位，BOOST1、BOOST3、BOOST2、BOOST4互相錯(cuò)90度相位。這樣的優(yōu)點(diǎn)是，可以采用更小的輸出電容，系統(tǒng)也更容易穩(wěn)定。

　　可以看出，BOOST的電感電流波形為鋸齒波，兩路鋸齒波之間在相位上互相差180度。

2 MPPT追蹤器之間的通訊

2.1 通訊架構(gòu)

　　N路 MPPT追蹤器并聯(lián)組成MPPT匯流箱，MPPT匯流箱首先要收集各個(gè)追蹤器的信息，匯總之后要和遠(yuǎn)端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。匯流箱之間采用RS485總線的通訊架構(gòu)，N路MPPT追蹤器之間也采用RS485總線方式通訊，通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)選擇485地址，其中1號(hào)追蹤器為主站，其他N-1路為從站。RS485為差分方式的線路結(jié)構(gòu)，能夠最大限度的抗系統(tǒng)的共模干擾。

　　主站負(fù)責(zé)收集從站信息，同時(shí)主站對(duì)外也采用RS485方式傳輸匯流箱信息。

2.2 通訊協(xié)議

　　協(xié)議采用MODBUS RTU協(xié)議，Modbus是由Modicon(現(xiàn)為施耐德電氣公司的一個(gè)品牌)在1979年發(fā)明的，是全球第一個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。特點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，通用性強(qiáng)。

　　主站格式

　　從站格式

　　寄存器內(nèi)容(例)

　　.......

3 MPPT控制算法

　　MPPT控制算法采用3點(diǎn)式功率預(yù)測(cè)的方法，如圖4所示PK2為當(dāng)前周期的功率值，PK1和PK0分別是上周期和上上周期陣列功率。UK和UK0分別是當(dāng)前周期和前上上周期陣列電壓。

　　本模塊等效的采樣周期等于本模塊所設(shè)采樣周期TA的2倍，這是因采用基于功率預(yù)測(cè)的最大值追蹤方法所需要的。該方法按上述P1采集3點(diǎn)功率值，該3點(diǎn)功率值相當(dāng)于在2TA周期兩端增加中間1點(diǎn)采樣;令電壓給定增量在每個(gè)2TA周期的第1個(gè)TA周期為0;分別計(jì)算功率增量和電壓增量，令ΔP’_K2=(P_K2-P_K1)-(P_K1-P_K0)，ΔU=U_K-U_K0;根據(jù)ΔP’_K2和ΔU極性、以及ΔP’_K2或ΔU是否為0進(jìn)行邏輯判斷，決定電壓給定增量極性。

　　基本判斷邏輯：當(dāng)ΔP’_K2/ΔU<0時(shí)，減小電壓給定;當(dāng)ΔP’_K2/ΔU>0時(shí)，增加電壓給定。步長(zhǎng)與dP/dU絕對(duì)值成正比，實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)追蹤，便于收斂。

　　采用該方法，可避免MPPT誤判。例如，當(dāng)光伏陣列光照不變時(shí)，陣列電壓-功率特性曲線不變，因電壓給定增量在每個(gè)2TA周期的第1個(gè)TA周期為0，則P_K1=P_K0，預(yù)測(cè)功率P’_K2=0，采用基本判斷邏輯不會(huì)誤判。

4 PV MPPT控制實(shí)現(xiàn)

　　MPPT控制的算法實(shí)現(xiàn)基于BOOST硬件電路，控制算法上采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，MPPT算法模塊算出電壓環(huán)的電壓給定，電壓調(diào)節(jié)器計(jì)算出電流調(diào)節(jié)器的電流給定。其中電流調(diào)節(jié)器采用最小控制周期(64uS)，電壓調(diào)節(jié)器采用8倍最小控制周期(512uS)，

　　MPPT算法模塊采用2000倍的最小控制周期(128mS)。

5 基于STM32的實(shí)現(xiàn)

　　(1) 應(yīng)用IQmath庫(kù)

　　由于STM32F103系列MCU 為定點(diǎn)MCU，計(jì)算浮點(diǎn)算法要消耗大量的時(shí)間，因此直接計(jì)算浮點(diǎn)乘法是不可取的。本文將TI IQmath算法庫(kù)移植到了STM32F103上。

　　德州儀器(TI)IQmath 是一個(gè)高度優(yōu)化和高精度的數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)集，通常用于計(jì)算密集的實(shí)時(shí)應(yīng)用，可以獲得最佳的執(zhí)行速度和高精確度。此IQmath庫(kù)是TI為其C2000系列定點(diǎn)DSP發(fā)布的實(shí)時(shí)算法庫(kù)，在STM32上應(yīng)用還比較少。

　　(2) 如何得到得到最小的CPU帶寬

　　由于一個(gè)STM32F103負(fù)責(zé)控制兩路mppt，那就需要兩個(gè)MPPT算法塊，兩個(gè)電壓調(diào)節(jié)器和兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器。而最小控制周期是最占用CPU帶寬的，最小控制周期會(huì)執(zhí)行電壓電流AD采樣值計(jì)算，標(biāo)幺化處理，以及兩個(gè)電流調(diào)節(jié)器算法，以及PWM脈沖的生成。

　　為了在最小的控制周期里執(zhí)行完成這些內(nèi)容，可以進(jìn)行如下處理。

　　1)AD采樣采用DMA方式，STM32F103兩個(gè)ADC同時(shí)采樣

　　2)IAR編譯器設(shè)置優(yōu)化為：最大速度優(yōu)化

　　(3) 如何構(gòu)建時(shí)間片方式的架構(gòu)

　　在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，要求CPU嚴(yán)格以時(shí)間片方式執(zhí)行控制算法。本文采用了ucos ii操作系統(tǒng)方式。STM32的PWM是由定時(shí)器生成，因此，本文采用了以PWM定時(shí)器作為ucos ii的時(shí)鐘節(jié)拍，分配不同的控制周期為不同的任務(wù)，最小控制周期有最高的優(yōu)先級(jí)。

6 MPPT追蹤器效率

　　經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得MPPT追蹤器效率為99.306%

7 MPPT追蹤精度

　　采用Topcontrol光伏模擬源模擬PV組件，MPPT追蹤曲線如圖7所示，可見(jiàn)MPPT追蹤精度實(shí)測(cè)達(dá)到了99.9%

8 結(jié)論

　　經(jīng)實(shí)測(cè)本MPPT匯流箱，達(dá)到了預(yù)想的效果，實(shí)現(xiàn)了較高的效率和較高的追蹤精度。應(yīng)用在光伏組串側(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)組串級(jí)的MPPT追蹤，與集中式逆變器相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)更加多路的MPPT追蹤效果，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 劉文晉，基于雙重Boost電路的大功率光伏MPPT控制器 現(xiàn)代建筑電氣

　　[2] 趙爭(zhēng)鳴，太陽(yáng)光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第2期第45頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。