基于STM32的MPPT光伏汇流箱设计
摘要：提出了一种以STM32F103为控制芯片的MPPT汇流箱的设计方法，一片STM32F103控制四路BOOST电路，四路控制脉冲相位互错90度，以减小输出纹波;RS485主从式的通讯架构;采用基于功率预测的MPPT算法，电压外环电流内环的控制方法;基于最小时间片的软件设计。
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201603/287499.htm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。
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
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。
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)
.......
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。
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。
(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%
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
本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第2期第45页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
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