5.2.2　MPPT控制器

5.2.2　MPPT控制器

5.2.2.1　MPPT控制器的功能及组成

MPPT控制器的主要功能是调节太阳能电池的工作状态，使其工作在最大功率点附近。在此，有一个隐含的前提，即当前载荷需求必须大于或等于太阳能电池的最大可用功率，此时MPPT控制器才能真正发挥最大功率调节的作用。

MPPT控制器主要由功率转换器和控制单元组成，连接于光伏阵列和载荷之间，如图5-22所示。图中，N为萤火虫的数量；L b和Ub分别为变量搜索空间的下边界和上边界；i和j分别代表萤火虫i和萤火虫j；P Gbest为已搜索到的全局最大功率；P pv，i和P pv，i分别为萤火虫i和j所对应的太阳能电池输出功率，ε为阈值；Vref为萤火虫位置更新后对应的电压值。

图5-22　MPPT控制器的组成与所处位置

1）控制单元

控制单元包括电流电压传感器、多路PWM发生器、MPPT算法，以及用于占空比调整的参考值跟踪算法。其主要从两个层面（MPPT算法层、参考值跟踪控制层）进行控制，如图5-23所示。

图5-23　MPPT控制架构

（1）MPPT算法层：根据当前太阳能电池的电流和电压，采用一定算法（如扰动观测法、增量电导法等）给出下一步的电流或电压参考值。

（2）参考值跟踪控制层：根据参考值与反馈的偏差，采用超前-滞后补偿方法（如3 P3Z或PI补偿器）进行占空比调节，生成相应的PWM波，驱动功率转换器进行阻抗调节。

2）功率转换器

功率转换器又称DC／DC转换器，包括功率电感（L1）、降压开关支路（Q 1、Q 2）、升压开关支路（Q 3、Q4）、输入滤波电容（Cin）和输出滤波电容（Cout）等，主要用来实现太阳能电池的输出阻抗与负载的动态匹配。DC／DC转换器的种类很多，主要分为降压（Buck）型、升压（Boost）型、升降压（Buck-Boost）型三种，如图5-24所示。

图5-24　三种功率转换器拓扑结构

（a）Buck型；（b）Boost型；（c）Buck-Boost型

Buck型和Boost型均可由Buck-Boost型退化而成。当Vin＞Vout时，DC／DC转换器工作在降压模式，Q 1和Q 2组成降压开关支路，处于动态开关状态，Q 3保持关闭，Q4保持打开，此时等效电路退化为Buck型，如图5-24（a）所示。当Vin＜Vout时，DC／DC转换器工作在升压模式，Q 3和Q4组成升压开关支路，处于动态开关状态，Q 1保持打开，Q 2保持关闭，此时等效电路退化为Boost型，如图5-24（b）所示。

MPPT控制系统执行的软件任务可分为非周期性任务和周期性任务：非周期性任务依系统运行而动态执行，周期性任务则以固定的时间间隔执行，周期性任务在MPPT控制系统中占据主要地位。对定时精度要求高的任务，采用周期定时中断的方式执行；对定时精度要求不高的任务，采用循环查询定时标志的方式定时执行。MPPT控制系统的软件一般分为以下五部分：

（1）外设初始化：初始化微控制器外设模块，使其工作在要求模式下。

（2）串口数据通信：完成控制指令的接收和系统数据的发送。

（3）系统过热保护：采集温度传感器数据，当温度过高时降低输出功率。

（4）MPPT算法执行：根据输入电流电压信息，完成最大功率点的追踪。

（5）DC／DC转换器控制：根据输入输出电压信息完成对DC／DC转换器的稳压控制。

由于MPPT算法和DC／DC转换器控制对定时精度的要求较高，因此一般采用周期定时中断方式执行。外设初始化是一次性执行任务，串口数据通信耗时较长、实时性要求不高，热保护任务的实时性要求比较低，因此采用循环查询定时标志的方式执行。

5.2.2.2　本实验平台的MPPT控制器

本实验平台采用自主开发的NE-MPPT V1.0控制器（图5-25），其主控芯片采用TMS320F28069，频率为90 MHz，具有浮点单元，可进行本地单精度浮点运算；采用SM72295全桥栅极驱动器，集成电流检测放大器，选择MOSFET作为开关整流器；内置增量电导算法；预留CAN接口、RS232接口，满足通信和调试。表5-3为其主要性能指标。

图5-25　NE-MPPT V1.0控制器

（a）控制电路板；（b）MPPT控制器封装

表5-3　NE-MPPT V1.0控制器主要性能指标