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一种基于ARM平台的MPPT跟踪控制器设计

添加时间:2020/06/15 来源:重庆交通大学 作者:姬伟超
文分析了光伏电池发电原理,建立 matlab 仿真模型,研究其对外输出特性。通过模型仿真,获取了电压-电流与电压-功率输出特性曲线,对光伏电池最大功率点追踪控制的特点进行分析与研究。
以下为本篇论文正文:

太阳能交通灯毕业设计--一种基于ARM平台的MPPT跟踪控制器设计

摘 要

  交通领域的交通灯等设备,因其室外工作环境的特殊性,采用光伏供电具有节能环保、节约成本等优势。尤其是针对输供电困难的偏远地区,交通设备采用光伏供电优势显著。光伏供电系统中,光伏最大功率点追踪(MPPT)控制器是其关键技术之一,对提高整个光伏发电系统的效率意义重大。本文针对交通灯设备的光伏供电系统特点,设计了一种基于 ARM 平台的 MPPT 跟踪控制器。

  本文分析了光伏电池发电原理,建立 matlab 仿真模型,研究其对外输出特性。

  通过模型仿真,获取了电压-电流与电压-功率输出特性曲线,对光伏电池最大功率点追踪控制的特点进行分析与研究。

  比较分析了各种传统常用的 MPPT 控制算法的优缺点、适用场合等特点。对常规扰动法步长变化特点进行研究,提出了基于多状态变步长的扰动法,该方法将步长变化划分为五种状态,按照一定规律变更步长,在 matlab 中建立仿真模型,检验了控制算法的有效性。针对负载变换拓扑结构的异同与性能,对常用的 Buck与 Boost 拓扑进行对比,分析各自特性与适用特点,最终选取 Boost 拓扑作为负载变换的基础拓扑结构;制作了 MPPT 控制器。

  针对交通灯的特殊应用需求,一方面设计了以 Boost 拓扑电路为基础的主电路,并进行了防雷设计、过电流;ど杓频;还设计了驱动隔离?、监控?、电压与电流参数采样等?;特别是设计了自恢复过流;さ缏酚敫ㄖ缭醇嗫氐缏,减少一般故障下的维护负担与人为干预。编写软件代码并调试,主要包括系统初始化、PWM 生成?、AD 转换?,同时设计了看门狗软件;こ绦,采集系统关键测试点参数进行分析。

  最后,进行验证实验,将光照从某一量级阶跃变换为另一量级,同时设置对比实验,采集一般扰动法与优化后的扰动法的控制结果,观察此时系统的电压输出、电流输出等参数,对实验采集数据进行归纳整理分析。结果表明:基于多状态的变步长扰动控制可以快速识别追踪功率最大点异常变动,响应外界条件变化速度快,控制精度高,抵御外界干扰能力强,证明本控制方案设计的正确性和有效性。

  关键词:光伏电池,最大功率点追踪控制,数学建模,验证实验

太阳能交通灯

abstract

  Because of the particularity of the outdoor working environment, the photovoltaic power supply has the advantages of energy conservation, environmental protection and cost saving. Especially for the remote areas where power transmission and supply are difficult, photovoltaic power supply has a significant advantage. In the photovoltaic power supply system, the MPPT controller is one of its key technologies, which is of great significance to improve the efficiency of the whole photovoltaic power generation system. According to the characteristics of photovoltaic power supply system of traffic light equipment, this paper designs a MPPT tracking controller based on ARM platform.

  This paper analyzes the principle of photovoltaic power generation, establishes matlab simulation model, and studies its external output characteristics.

  Through the model simulation, the voltage current and voltage power output characteristic curves are obtained, and the characteristics of the maximum power point tracking control of photovoltaic cells are analyzed and studied.

  The advantages and disadvantages of various traditional MPPT control algorithms are compared and analyzed. This paper studies the step change characteristics of the conventional disturbance method, and puts forward the disturbance method based on the multi-state variable step. The method pides the step change into five states, changes the step according to a certain rule, establishes a simulation model in MATLAB, and verifies the effectiveness of the control algorithm. According to the difference and performance of load transformation topology, this paper compares the commonly used buck and boost topology, analyzes their characteristics and applicable characteristics, and finally selects boost topology as the basic topology of load transformation, and makes MPPT controller.

  According to the special application requirements of traffic lights, on the one hand, we designed boost The main circuit based on topology circuit is designed with lightning protection and over-current protection; the driving isolation module, monitoring module, voltage and current parameter sampling module are also designed; especially the self recovery over-current protection circuit and auxiliary power supply monitoring circuit are designed to reduce the maintenance burden and human intervention under general faults. Write software code and debug, mainly including system initialization, PWM generation module, AD conversion module. At the same time, design watchdog software protection program, collect key test point parameters of the system for analysis.

  Finally, a verification experiment is carried out to change the illumination from one level step to another. At the same time, a comparative experiment is set up to collect the control results of the general disturbance method and the optimized disturbance method, observe the voltage output, current output and other parameters of the system at this time, and summarize and analyze the experimental data. The results show that the variable step size disturbance control based on multi-state can quickly identify the abnormal change of maximum power point, respond to the change of external conditions quickly, control accuracy is high, and resist external interference ability is strong, which proves the correctness and effectiveness of the control scheme design.

  Key words: photovoltaic cell, maximum power point tracking control, mathematical modeling, verification experiment

目 录

  第一章 绪论

  1.1 研究的背景与意义

  依照人类社会目前对化石能源的消耗速度计算,当前煤炭储量只能维持未来全世界能源 200 年消耗,天然气只够维持 80 年,同时煤炭、石油等自然资源的开采难度提高,成本逐年上升。更严重的是化石能源在消耗过程中会产生碳化物、硫化物等环境污染物质,进而引起温室效应、酸雨、粮食减产等一系列全球性或局部性环境污染问题。特别是我国 2000 年以后环境污染问题日益加剧,珠三角地区雾霾天气数则超过了 1/3,北京上海地区雾霾天气比例持续在 50%左右,中国大陆内 70%的粮食主产区减产 5%-30%,数十万人饱受气管炎等慢性疾病折磨,而在污染严重的京津冀地区主要污染物来源分别为煤 34%,机动车 16%,工业 15%,由此可见化石能源在服务人类社会的同时也在不断产生危害,因此人们将目光聚焦到清洁环保的光伏能、核子能等新型能源。[1-2]

  太阳能、风能、核能等新能源愈加受到人们的广泛重视,这类新能源具有清洁环保、储藏量大等优点,但是又各自在安全性、分布区域等方面受到推广利用的限制。其中太阳能作为一种清洁环保的可再生能源越来越受到人们的重视,在分布范围、环境;、可再生特性、经济性上与化石能源对比如下表。

  从上表的对比中可获知太阳能具有明显的易获取、无污染、可再生等优势。

  因此,各国政府从政策制度扶持方面,研究者从技术转化方面,企业从生产制造方面,对太阳能光伏发电给予极高关注和投入。美国 1997 年通过制定"Milion SolarRoofs Initiative"计划积极推动太阳能进入千家万户,并通过减免光伏企业税收的方式鼓励企业投入太阳产业发展;德国 2004 年制定实施《可再生能源法案》与相关政策促进了德国太阳能开发利用市场的发展;我国 2000 年时提出了"光明项目",计划为偏远居民区、边防哨所、通信设备提供光伏供电。[3]

  随着近年来对光伏发电的研究和投入,光伏发电得到较大程度推广利用,但是光电转换效率低下一直是限制太阳能普及利用和提高经济性的瓶颈。近年德国Fraunhofer 学院太阳能研究实验室于 454 倍聚光功率下,将光电能转换的效率达到 41.1%的国际一流水平[4],但是受限于光伏电池的理论认识、技术研究、工艺实现等短期内无法获得突破进展,实践工程应用中太阳能模板光电转换效率最高仅仅为 20%左右,科技工作者纷纷把目光转向如何实现光伏发电系统的最大功率输出的课题上。

  由于光伏电池电气特性的特殊性,需要对光伏电池采取负载匹配、限压、限流等多项措施,确保太阳能电池始终在不同温度和光照等工况条件下,尽可能工作于输出最大功率状态,称此为光伏电池最大功率点跟踪技术(MPPT)。

  在交通应用领域,我国的公路里程在 2010 年已经超过 400 万公里,并以每年至少 5 万公里的速度增长,与此同时,太阳能照明路灯、太阳能交通信号灯、偏远地区的隧道通风照明,高速公路应急通信,甚至高速公路电动汽车的充电桩部分开始采用更加节能太阳能光伏供电系统。交通领域采用光伏供电系统优势显著,首先交通设施一般地域分布范围广,一般采用专用传输线路为其供配电,造成一定程度的资源浪费,经济性差;另一方面部分偏远地区供配电线路架设困难,维护难度高,而城市地区则本来电力供应紧张,特别是夏季用电高高峰期,采用光伏供电为交通设施供电能够有效缓解用电紧张。因此采用光伏发电系统为交通灯设备供具有电经济性好、成本低、节能环保等优点。本文研究背景即为太阳能供电的交通灯设计一个 MPPT 控制器,使交通信号灯光伏供电系统于不同工况条件下均能获得最大输出功率,保证系统的最大输出效率。[5]

  1.2 国内外光伏发电控制器研究现状

  在光伏发电的控制技术领域,国内研究者主要从两方面对光伏发电控制器展开研究,一方面集中在专用 MPPT 控制芯片的研究,另一方面集中在控制算法上的研究。众多国内外知名 IC 芯片厂商、研究机构相继推出了光伏发电控制芯片,或提出诸多控制算法,极大地促进了光伏发电技术的进步。

  1.2.1 国外研究现状

  国外诸多知名 IC 芯片公司积极参基于 MPPT 控制的芯片研发设计,特别是对内嵌 MPPT 功能的专用集成芯片的研究。MPT612 即为 NXP 公司推出的专门针对光伏发电应用的低功耗集成电路,可实现其输出电压电流检测,内置 MPPT 专利;に惴,可根据检测到的电压电流进行 PWM 脉冲自动调整,同时可根据客户需要定制蓄电池充电控制和;つ?,仅需要扩展数个分立元件即可实现MPPT 跟踪控制。美国 NS 公司近年研发出两款灵活方便的可编程 MPPT 控制器,即为 SM72441 和 SM72442,同时集成了电压电流故障诊断,添加了外设扩展接口,灵活性强,应用方便[6]. 在 MPPT 控制算法的理论研究方面,国外研究者起步早且成果颇多,国外研究者相继提出了诸如扰动法、恒压法、开路电压法等,这些方法在工程中应用较多。近年来随着计算机技术的发展,提出了控制精度高且算法复杂度高的滑模变构算法、Artificial Neural Networks、遗传算法等现代智能仿生算法[7-8].BogdanM.Wilamowski 等人研究了基于模糊系统的 MPPT 控制法,通过验证,取得了较好的控制效果。[9]Mummadi Veerachary 等人研究了基于神经网络与模糊控制相结合的 MPPT 控制方法,通过仿真实验证明能够较快地寻找到光伏电池最大功率点,并在最大功率点处稳定工作,获得了良好的控制效果[10].此类智能算法在模型仿真中精度较高,但是在实践应用中存在算法复杂实现困难,硬件处理芯片无法满足计算要求等缺点,因此多处于实验室的理论研究阶段,未能在实践工程应用中获得推广应用。[11]

  1.2.2 国内研究现状

  国内关于 MPPT 技术的研究,由于受制于整体高端芯片设计制造的发展不足,鲜有公司推出带有 MPPT 控制算法的集成芯片。上海如韵电子推出的专门针对光伏供电系统的 CN38 锂电池管理芯片,内置 MPPT 算法,但是主要功能侧重于对锂电池的不同充电阶段进行控制管理和;。另一方面相对于集成芯片设计技术门槛高且投入大的研发方式,国内采用分离功率元件与通用 MCU 控制芯片相结合的低成本方式设计的 MPPT 控制器应用较为广泛。此方式对算法要求灵活性高,可根据应用范围场合,性能指标要求,灵活调整软件算法设计以及硬件设计。武汉万鹏科技有限公司推出的 SL1024 系列的专门针对太阳能路灯设计的 MPPT 控制器,集成了 MPPT 控制算法,锂电池充放电控制算法。深圳市爱庞德电子有限公司近年也推出了 SMART 系列太阳能锂电池充点电控制器,内置 DSP 算法处理芯片为 TI 公司的 2803 芯片,具有实时性好、精度高、适应性强的优点。同时国内部分大学相继建立太阳能 MPPT 控制器实验平台,2003 年清华大学使用一级MPPT 算法设计了太阳能照明控制器,该控制器能够实现工作状态的稳定切换和蓄电池电量的智能管理,获得较好的控制效果。2005 年中山大学太阳能研究所设计出一种太阳能路灯控制器,具有对蓄电池充电过程监控,过充电;ず LED 亮度调节功能。[12]

  国内研究者对 MPPT 算法研究也取得了一些进展,郑州大学的朱炜锋提出了一种滞环比较法实现 MPPT 控制功能,与一般爬山法对比,优化后的算法可以快速识别最大功率点的变化,抗干扰能力强,能够有效避免在最大功率点左右,由于外界条件干扰引起整个系统震荡的功率损耗。[13]山东大学的王松设计一种基于神经网络的 MPPT 算法,实现最大功率点识别与判断,结合负载非线性的特殊性设计一种有源滤波器,有效调整和优化了输出电能的功率因数。[14]中南大学董密等人提出了光伏系统的零均值电导增量的 MPPT 控制,该方法不依赖于系统的数学模型,鲁棒性强,能够有效抑制目标功率点附近的波动。[15]

  总体而言,国内在 MPPT 技术研究领域,无论在实现技术或是算法研究上都正在努力赶超国际水平,随着国家从体制层面的扶持,人们对光伏这种新清洁能源的重视,越来越多的科技公司和研究机构都将目光转移到光伏产业上,势必更加促进我国光伏产业的发展,使得我国在光伏研究与推广领域都能具有世界领先水平。

  1.3 论文的研究重点和结构安排

  1.3.1 研究重点和创新点

  本文的研究重点在以下三个方面。

  1. 对光伏电池 MPPT 技术的常用恒压控制、干扰观察法、电导增量法等控制方法分析与比较优劣,针对本课题的控制系统性能要求对算法进行优化改进,提出一种适合于本系统的控制算法并进行建模仿真,检验控制算法的有效性和可行性。

  2. 对光伏电池控制器的常用的 Boost 和 Buck 等 DC/DC 电路拓扑结构进行对比分析,根据交通灯等设备的适用场合和性能需求,选择最为适合本控制系统的拓扑结构,并根据本控制系统的性能指标需求,设计隔离驱动电路,电压电流采样电路,安全监控电路,设计相关硬件电路参数,为 MPPT 控制实现提供硬件基础。

  3. 在 ARM 开发平台下,根据控制算法编制程序代码,并进行程序编译、烧写、调试、修改等工作,确保光伏控制器的控制精度符合要求,安全稳定工作。

  本文的创新点集中在以下两个方面:

  1. 本文中需要根据在分析比较了传统扰动法的基础上,根据光伏电池功率变化的特点分析重新设计了一种多状态变步长的扰动控制法,该控制方法能够根据光伏电池的过去功率、电压、步长变化等状态量,并对当前所处状态进行分析识别,动态调节步长变化,进而达到动态追踪最大功率点的目的。

  2. 本文涉及的光伏最大功率点控制器是针对交通灯供电设计,工作环境恶劣,具有一定的特殊性,为提高光伏电池的工作稳定性,本文中在电路结构中设计了带有自恢复功能的过流;さ缏,系统辅助电源监控电路,同时在主电路中设计了启动电流限制电阻,防止雷击的突波吸收器,增强了系统工作的无人值守和抵御外界干扰的能力。

  1.3.2 结构安排

  本文共分第一章绪论,第二章最大功率点追踪控制策略的实验探究与优化,第三章 MPPT 控制器电路设计,第四章软件控制程序设计,第五章系统调试和结果分析,第六章结论和展望等七个主要章节。

  第一章:主要阐述本文研究的背景和意义,说明当前国内外在 MPPT 控制技术研究的重点热点问题,列举了一些当前该领域技术前沿的进展,当前在工程实践中主要应用的技术手段,对该课题前期着手点和后期的研究努力方向提供了一些借鉴和指导。

  第二章:研究了光伏电池的原理与等效电路模型,并在 matlab 中建立仿真模型,对其输出特性进行研究;对当前的光伏电池功率变换领域常用的 Boost 和 Buck两种最基本的拓扑结构在器件应力、效率等指标上进行了对比分析;根据对常用控制算法的研究提出了一种新的 MPPT 控制算法,建立了优化后的追踪算法的matlab/simulink 模型,进行仿真、对比、优化后,为 MPPT 控制器的设计提供理论支撑。

  第三章:对 MPPT 控制器的实现阻抗变换的主电路进行设计分析,确定了设计原则,综合考虑了防雷过电压设计,过电流;さ劝踩阑ご胧,根据性能参数需求设计了各个元器件的开关应力参数;根据本课题的需求设计了满足控制要求的控制电路、隔离驱动电路,电压电流采集电路,电压;さ缏,系统辅助电源监控电路,确保系统安全稳定可靠工作。

  第四章:根据前述算法分析优化,在 ARM 平台下编制对应的程序代码,包括主程序代码,AD 转换代码,PWM 生成代码,确保程序稳定性的看门狗设计,绘制出程序的流程图,列举了程序设计过程中的注意事项和部分程序漏洞的修复。

  第五章:根据以上设计,将整个系统进行联合调试,根据调试结果进行相应的软件和硬件优化调整,观察和分析测试结果,核查各项性能指标是否满足设计需求;对实验结果进行分析说明。

  第六章:总结全文的工作,阐明本课题下一步的研究工作方向,为以后的研究指明了目标和方向。

  1.4 本章小结

  本章阐述了本文的研究背景和意义,回顾了太阳能光伏发电系统的 MPPT 技术的国内外发展现状,对本文的结构安排进行了说明,特别是点明本文研究重点和创新点。






  第二章 最大功率点的跟踪控制策略
  2.1 等效电路模型与输出特性
  2.1.1 光伏电池原理
  2.1.2 光伏电池等效电路模型
  2.1.3 光伏电池的 matlab 模型建立
  2.2 常用 MPPT 控制算法的分析
  2.3 负载变换拓扑分析比较和选择
  2.4 多状态扰动 MPPT 控制算法
  2.3.1 多状态变步长扰动法的理论基础
  2.3.2 多状态变步长扰动法的控制原理
  2.3.3 Boost 功率拓扑传输特性分析与建模
  2.3.4 多状态变步长扰动控制算法建模
  2.3.5 仿真实验结果分析
  2.5 本章小结

  第三章 MPPT 控制器电路设计
  3.1 太阳能交通灯的 MPPT 控制器整体方案
  3.2 主电路设计
  3.3 控制与驱动隔离电路
  3.4 监控;つ?
  3.4.1 自恢复;つ?
  3.4.2 系统辅助电源监控电路
  3.4.3 主电路欠压;
  3.5 数据采集电路?
  3.5.1 电压参数采集?
  3.5.2 电流参数采集?
  3.6 本章小结

  第四章 程序软件设计与调试
  4.1 开发平台的搭建说明
  4.2 程序控制策略流程
  4.2.1 MCU 系统初始化
  4.2.2 AD 转换
  4.2.3 PWM 控制脉冲生成
  4.2.4 软件看门狗设计
  4.3 控制器调试
  4.3.1 通电前检查和通电测试
  4.3.2 系统关键参数测试结果分析
  4.4 本章小结

  第五章 系统测试和结果分析
  5.1 系统联合测试
  5.2 实验结果数据分析

  第六章 结论与展望

  6.1 结论

  随着人们对新能源特别是太阳能的开发和普及,太阳能光伏发电将会在交通领域获得更加广泛和深入的应用,本课题根据需要设计了一种为交通信号灯供电的太阳能光伏电池 MPPT 控制器,该控制器能够实现光伏电池随外部条件下跟踪其最大功率点变化,从而实现光伏发电系统效率的提高,为此本课题研究了 MPPT技术的控制算法策略和控制电路设计实现,现将本文中所做的工作和成果总结如下:

 。1)首先根据前期文献调查研究和实验的基础上,研究了光伏电池的工作原理,在 matlab 中建立对应等效电路模型实验,研究了其对外输出功率特性,为下一步对光伏电池的研究奠定基础性理论支撑。

 。2)在前阶段研究基础上,对当前传统的光伏电池的 MPPT 控制策略进行比较分析,并从软件算法和功率变换拓扑结构两方面进行比较分析,在选取最优的电路拓扑后对控制算法进行优化,提出一种基于多状态扰动法的控制算法,并在matlab/Simulink 中进行仿真实验,确认了本文提出控制算法的正确性、优越性。

 。3)在选定功率变换拓扑结构的基础上,本课题在 Altium Designer 中设计了控制器的硬件主电路,包括 MCU 控制器的选择与介绍,同时设计了驱动隔离电路确?毓艿目煽康纪ê凸囟,设计了带有延时自恢复功能的电流;さ缏,设计了电压采集电路,电流采集电路,系统电源监控电路,以上设计确保了控制器能够稳定可靠工作,最后进行了 PCBlayout 设计。

 。4)在 ARM 平台控制器的基础上,在 KEIL 软件开发环境中进行了软件 C 代码编写,尤其是选定的 MPPT 控制算法的实现,是本文工作的重点和难点,此外还包括了设计 DA 转换?,PWM 生成?,以及为确保系统工作稳定性的软件看门狗设计,便于调试的显示?槌绦。

 。5)最后对设计的控制器进行各个?榈暮附、组装、调试,以及模拟测试实验,并对实验结果采集部分关键数据进行了分析,验证了本文设计方案的合理性、有效性、可行性。

  因此,本文较为圆满的完成了设计任务,完成了光伏电池 MPPT 控制器控制策略和硬件电路的验证、设计、测试等工作。

  6.2 展望

  由于本课题在完成过程中,时间有限、知识水平限制等原因,还存在诸多不足,特别是系统优化方面仍有较多工作需要完成,未来可以在以下方面进行更深层次的探索和研究:

  1. 经过测试硬件电路中损耗较大,可以从优化电路设计参数、选用更为合理的IC 芯片、优化 PCB 布局布线设计等几个方面进行优化设计。

  2. 探索使用 CPLD/FPGA 等处理运算速度等快的处理技术,运算速度的增加带来的直接结果便是 MPPT 控制器的动态响应能力提高,跟踪能力显著增强,从而实现光伏供电系统效率的提高。

  3. 探索使用无线通信技术与局域网实现的可能,特别是物联网技术日益普及,zigbee、BLE 等技术的成熟为太阳能交通灯的无线监控管理提供了技术保障。相信未来通过科技人员的努力,能够实现远程对交通信号灯进行监控管理,紧急情况下的远程调度等。

致谢

  三年的研究生生活即将结束,当初抱着迷茫心态读研的我,经过这三年在殷时蓉老师和刘潮涛老师的教导下,已经找到自己未来努力的方向,无论在学术还是未来职业选择上都比本科毕业时有更加提升和明确。这要归功于带领自己进入电子工程领域的二位老师,并现在仍然指引着我在这条道路上走的更加坚定更远。

  本论文的完成是对自己三年研究生学习的一次考核,在此过程中殷老师和刘老师给出了方向并提供了平台供我施展发挥。除了感激,最想做的事情便是做好自己的课题论文,并在未来的电子行业工作中,有所成就,有所贡献。

  另外,本文的完成还得到了各位同门师兄弟帮助,于彪、蒋琪、唐翠等一众师弟师妹协助完成了本文的实验测试、数据收集整理工作,文中翔实直观有效的数据展示离不开他们的帮助和辛勤工作,在此以并表示感谢。

  感谢评阅老师、专家的评阅点评,你们的宝贵意见是我成长进步的基石。
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