基于STM32的MPPT光伏汇流箱设计

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引言

  近年来,由于光伏技术的发展,对光伏发电系统的发电密度提出了越来越高的要求,电站业主希望单位光伏组件下,能够取得更高的发电收益。在山地等地形复杂,朝向各异的光伏电站里,组串式逆变器和MPPT汇流箱由于在组串级集成了光伏最大功率点追踪功能,越来越受到业主的青睐。然而,组串逆变器存在交流线损大和并网谐波大电能质量较差、造价大等缺点;MPPT汇流箱配合集中式逆变器,不但发挥了集中式逆变器电能质量高谐波小,交流线损小等优点,同时还具有组串式逆变器组串级MPPT追踪的优点,越来越受到人们的追捧。但是,由于MPPT汇流箱较普通的汇流箱增加了成本,在方案设计和器件选型上必须充分考虑成本因素。一般的MPPT控制算法往往采用DSP等MCU来实现,但DSP器件成本相对一般的MCU成本较高。

  STM32是意法半导体生产的ARM CORTEX内核的MCU,STM32F1系列属于中低端的32位ARM Cortex-M3内核微控制器,最高72MHz工作频率,在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHZ(DhrystONe2.1),单周期乘法和硬件除法。由于具有性价比突出的优点,再越来越多的领域得到了广泛应用。

  本文研究了一种基于STM32F103的MPPT汇流箱的实现方法,包括MPPT算法和控制的实现,TI IQmath库在STM32上的移植,MPPT汇流箱电路结构和实现方法;列举了实验数据和实验效果。

1 MPPT汇流箱的电路结构

  如图1所示,MPPT汇流箱集成了多路MPPT追踪器,N汇一的MPPT汇流箱可以集成N路MPPT追踪器。如图2所示每两路MPPT追踪器共用一个STM32控制,构成了一个MPPT追踪器单元;每相邻的两路BOOST电路并联二极管输出,当输入电压大于输出电压,MPPT停止工作,采用二极管直通发电的形式,从而最大限度降低,BOOST升压电路损耗;多路MPPT追踪器采用并联结构,为了得到更小的纹波,MPPT追踪器单元内部四路BOOST采用互错90度相位输出,其中G1和G2内部两路BOOST错180度相位。如图2 BOOST1和BOOST2错180度相位,BOOST3和BOOST4错180度相位,BOOST1、BOOST3、BOOST2、BOOST4互相错90度相位。这样的优点是,可以采用更小的输出电容,系统也更容易稳定。MPPT光伏汇流箱

   可以看出,BOOST的电感电流波形为锯齿波,两路锯齿波之间在相位上互相差180度。

2 MPPT追踪器之间的通讯MPPT光伏汇流箱

2.1 通讯架构

  N路 MPPT追踪器并联组成MPPT汇流箱,MPPT汇流箱首先要收集各个追踪器的信息,汇总之后要和远端进行数据交换。汇流箱之间采用RS485总线的通讯架构,N路MPPT追踪器之间也采用RS485总线方式通讯,通过拨码开关选择485地址,其中1号追踪器为主站,其他N-1路为从站。RS485为差分方式的线路结构,能够最大限度的抗系统的共模干扰。MPPT光伏汇流箱

  主站负责收集从站信息,同时主站对外也采用RS485方式传输汇流箱信息。

2.2 通讯协议

  协议采用MODBUS RTU协议,Modbus是由Modicon(现为施耐德电气公司的一个品牌)在1979年发明的,是全球第一个真正用于工业现场的总线协议。特点是稳定可靠,通用性强。

  主站格式

  从站格式

  寄存器内容(例)

  .......

 MPPT光伏汇流箱
3 MPPT控制算法

  MPPT控制算法采用3点式功率预测的方法,如图4所示PK2为当前周期的功率值,PK1和PK0分别是上周期和上上周期阵列功率。UK和UK0分别是当前周期和前上上周期阵列电压。

  本模块等效的采样周期等于本模块所设采样周期TA的2倍,这是因采用基于功率预测的最大值追踪方法所需要的。该方法按上述P1采集3点功率值,该3点功率值相当于在2TA周期两端增加中间1点采样;令电压给定增量在每个2TA周期的第1个TA周期为0;分别计算功率增量和电压增量,令ΔP’K2=(PK2-PK1)-(PK1-PK0),ΔU=UK-UK0;根据ΔP’K2和ΔU极性、以及ΔP’K2或ΔU是否为0进行逻辑判断,决定电压给定增量极性。

  基本判断逻辑:当ΔP’K2/ΔU<0时,减小电压给定;当ΔP’K2/ΔU>0时,增加电压给定。步长与dP/dU绝对值成正比,实现变步长追踪,便于收敛。

  采用该方法,可避免MPPT误判。例如,当光伏阵列光照不变时,阵列电压-功率特性曲线不变,因电压给定增量在每个2TA周期的第1个TA周期为0,则PK1=PK0,预测功率P’K2=0,采用基本判断逻辑不会误判。
MPPT光伏汇流箱

4 PV MPPT控制实现

  MPPT控制的算法实现基于BOOST硬件电路,控制算法上采用电流内环,电压外环的控制结构,MPPT算法模块算出电压环的电压给定,电压调节器计算出电流调节器的电流给定。其中电流调节器采用最小控制周期(64uS),电压调节器采用8倍最小控制周期(512uS),

  MPPT算法模块采用2000倍的最小控制周期(128mS)。

5 基于STM32的实现

  (1) 应用IQmath库

  由于STM32F103系列MCU 为定点MCU,计算浮点算法要消耗大量的时间,因此直接计算浮点乘法是不可取的。本文将TI IQmath算法库移植到了STM32F103上。

  德州仪器(TI)IQmath 是一个高度优化和高精度的数学函数库集,通常用于计算密集的实时应用,可以获得最佳的执行速度和高精确度。此IQmath库是TI为其C2000系列定点DSP发布的实时算法库,在STM32上应用还比较少。
MPPT光伏汇流箱
 

      (2) 如何得到得到最小的CPU带宽

  由于一个STM32F103负责控制两路mppt,那就需要两个MPPT算法块,两个电压调节器和两个电流调节器。而最小控制周期是最占用CPU带宽的,最小控制周期会执行电压电流AD采样值计算,标幺化处理,以及两个电流调节器算法,以及PWM脉冲的生成。

  为了在最小的控制周期里执行完成这些内容,可以进行如下处理。

  1)AD采样采用DMA方式,STM32F103两个ADC同时采样

  2)IAR编译器设置优化为:最大速度优化

  (3) 如何构建时间片方式的架构

  在实时控制系统中,要求CPU严格以时间片方式执行控制算法。本文采用了ucos ii操作系统方式。STM32的PWM是由定时器生成,因此,本文采用了以PWM定时器作为ucos ii的时钟节拍,分配不同的控制周期为不同的任务,最小控制周期有最高的优先级。

6 MPPT追踪器效率

  经实验测得MPPT追踪器效率为99.306%MPPT光伏汇流箱
7 MPPT追踪精度

  采用Topcontrol光伏模拟源模拟PV组件,MPPT追踪曲线如图7所示,可见MPPT追踪精度实测达到了99.9%

8 结论

  经实测本MPPT汇流箱,达到了预想的效果,实现了较高的效率和较高的追踪精度。应用在光伏组串侧,能够实现组串级的MPPT追踪,与集中式逆变器相配合,能够实现更加多路的MPPT追踪效果,具有很广阔的应用前景。

参考文献:

  [1] 刘文晋,基于双重Boost电路的大功率光伏MPPT控制器 现代建筑电气

  [2] 赵争鸣,太阳光伏发电最大功率点跟踪技术

STM32单片机中文官网
意法半导体/ST/STM

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