第四章BOOST变换器实现光伏阵列最大功率跟踪

第 4 章 BOOST变换器实现光伏阵列最大功率跟踪光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大， 电池表面温度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。 并且， 由于目前光伏阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大。并且其输出功率易受日照强度、 环境温度等因素的影响， 为了提高光伏发电系统的效率， 充分利用光伏阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求， 在现在的光伏发电系统中， 通常要求光伏阵列的输出功率始终保持最大， 即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大功率点。本设计分析了几种常用最大功率点跟踪算法，最终采用扰动观察法控制Boost 电路实现光伏组件最大功率点跟踪，并对其进行了仿真验证。4.1 最大功率点跟踪技术将太阳电池的电压 U和电流 I 检测后相乘得到功率 P， 然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大， 若不在最大功率点运行， 则调整脉宽， 调制输出占空比 D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点， 以充分利用太阳电池方阵的输出能量。最大功率点跟踪控制 (MPPT)策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工作情况下阵列可能的最大功率输出， 通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。 这样即使光伏电池的结温升高使阵列的输出功率减少， 系统仍可以运行在当前工况下的最佳状态， 下面具体说明它的工作原理。由于光伏电池具有非线性的输出特点， 不易进行数学分析， 所以先利用简单的线性电路来研究最最大功率跟踪的基本原理。简单的线性电路原理如图 4-1所示。其负载上的功率为：o22 io oi oRVP I R RR R (4-1) V iIRiRo图 4-1 简单的线性电路原理图将 (4-1)式对 oR 求导，因为 iV 、 iR 都是常数，所以可得：o 2 i oi 3o i oRdP R RVdR R R (4-2) 从式 (4-2)可以看出，当 Ro=Ri 时， PRo 有最大值。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时， 电源输出最大功率。 虽然太阳电池是强非线性的， 然而在极短的时间内，可以认为是线性电路。可见，在一定的温度和光照强度下，光伏阵列能否工作在最大功率点处取决于其所带的负载大小， 如果负载电阻的大小和电池内阻一致，即可实现 MPPT。光伏电池的工作情况如图 3-2 所示。I(A)U(V)1000 W/cm 2800 W/cm 2600 W/cm 2I sc3I sc2I sc1V oc1 V oc2 V oc3AB C132图 4-2 光伏电池工作情况示意图其中曲线是不同光照强度下，电池的电流、电压 (I-V)输出特性。假设，电池所带负载为电阻，直线为负载电阻的 I-V特性。二者的交点即为光伏阵列的工作点，如点 A、 B、 C。工作点的电压电流要同时符合光伏电池的 I-V特性和负载自身的 I-V特性。如果两条线的交点不在最大功率点处，此时负载和光伏阵列就处于失配的状态，光伏阵列转换的电能就没有被充分的利用。上图中， 在某一时刻光伏发电系统工作于稳定状态下， 负载特性线与光伏电池特性曲线交于点 A，当光照强度发生变化，即光伏电池的输出特性由曲线 1下降到曲线 2。此时如果负载电阻保持不变，系统的工作点 A将沿负载特性线向光伏电池新的特性曲线 2处转移，最终运行在新的稳态点 B。可是在电池新的输出特性曲线 2上其最大功率点是 C点，可见此时的负载和光伏阵列己处于失配的状态， 系统工作点偏离了相应光照强度下的最大功率点。 只有改变光伏电池所带负载的大小，让新的负载特性线与电池的输出特性曲线相交于点 C，才能实现负载和电池的再次匹配， 令系统工作在最大功率点处。 因此， 只要通过一定的控制策略让负载电阻始终等于太阳能电池的内阻， 就可以实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的 MPPT。在光伏电池的输出端， 通常接上一个 DC/DC变换电路， 作为最大功率跟踪控制器，如图 4-3所示。DC/DC PPVIPVV PV RLoadILoadV LoadPLoad图 4-3 光伏最大功率跟踪器的基本原理图虽然太阳能电池和 DC/DC 变换电路均为强非线性特征，但在小的时间间隔里，两者均可以看为线性电路。因此，等效把太阳能电池看成直流电源， DC/DC变换电路看成外部阻性负载。这样，光伏方阵所接的等效负载就是 DC/DC 变换器占空比 D 和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏方阵负载的目的，从而实现最大功率跟踪。4.2 几种常用 MPPT算法分析与比较目前， 太阳电池的最大功率点跟踪 (MPPT)控制技术已发展出各种控制方法，常用的有恒定电压控制法、 扰动观察法、 电导增量法等， 下面将对这几种主要的MPPT 控制方法的特点加以分析。4.2.1 恒定电压控制法当温度一定时， 不同光强下太阳电池最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧邻近， 这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压为常数的一根垂直线，亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压， 就可以大致保证在该温度下太阳电池输出最大功率， 这就是 CVT控制的理论依据。恒压跟踪最大功率线功率P(W)电压 U(V)Um21000 mW2800 mW2600 mW图 4-4 恒定电压控制法CVT 方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，但是恒定电压控制法的控制精度较差， 特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区， 一旦它的工作环境明显变化时， 光伏电池的控制器就不能自动的跟踪到光伏电池的新的最大功率点， 即没有自寻优的能力， 造成了能量的极大损耗， 必须人工干预才能良好运行。采用 CVT 来实现 MPPT 控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在光伏系统中仍被较多使用， 但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正在逐步被新方法所替代4.2.2 电导增量法电导增量法是通过光伏阵列输出端的动态电导值与此时的静态电导的负数相比较，以判断调节光伏阵列输出电压方向的一种最大功率点跟踪方法。我们知道，由于太阳能电池 P-V 特性是一单峰值曲线，在最大功率点 Pmax处，有 0dUdP 的关系。功率 P可以由电压 U与电流 I 表示，即 IUP 。将等式的两端对 U求导，求得 : 34dUdIUIdUdP当 0dUdIUIdUdP 时，44UIdUdI上式中， dI 为电池板增量过程中的电流前后的差值， dU 为电池板增量过程中的电压前后的差值。式 (4.4)即为到达太阳电池最大功率点所需满足的条件。当UIdUdI 时，光伏电池板就没有工作在最大功率点，此时分两种情况 :当 UIdUdI 时， U值比最大功率点电压偏小， 应该增大扰动量； 当 UIdUdI 时，U值比最大功率点电压偏大，应该减小扰动量。这种方法的根本思想就是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向。4.2.3 扰动观察法扰动观察法又称为爬山法， 扰动观察法的实现简单， 所需检测的参数少， 是实现 MPPT 的常用方法。该方法的基本思想是： 测量当前阵列输出功率， 然后在原输出电压上增加一个小电压分量 (或称之为扰动 )，其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。 如果功率增加就继续使用原扰动， 若减小则改变原扰动方向。A B CDPU0PmUm图 4-5 扰动观察法示意图光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出， 改变的步长是一定的， 方向可以是增加也可以是减小， 控制对象可以是光伏阵列输出电压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输出功率，若 0P ， 说明参考电压调整的方向正确， 可以继续按原来的方向“干扰”；若 0P ，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向。当给定参考电压增大时， 若输出功率也增大， 则工作点位于图 4-5 中最大功率点 maxP左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点 maxP 右侧，需要减小参考电压。当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点位于 maxP 的左侧，需增大参考电压 ,若输出功率增大，则工作点位子 maxP 的右侧，需继续减小参考电压。 这样， 光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态。采样输入 U(K)、 I(K)结束返回开始计算当前输出功率P(K)-P(K-1)=0?P(K)=P(K-1)?P(K)>P(K-1)?控制量改变方向与上次相同控制量改变方向与上次相反 控制量不变更新 P(K) 的值P(K-1)=P(K)YNNYP(K)=U(K)*I(K)图 4-6 扰动观察法控制流程图4.3 运用扰动观察法进行仿真研究本设计采用扰动观察法对光伏电池进行最大功率跟踪，运用 MATLAB进行仿真，仿真建模如图 4-7 设置仿真时间为 0.1s ，光照为 1000W/m2, 温度为 25℃，根据峰值工作电压、峰值工作电流和预计升压求的的占空比，可求的负载电阻 LR 为 20.7 Ω 。占空比扰动步长决定功率变化的步长，如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；如果步长小，则系统反应慢，但相对精确。仿真图中取占空比扰动步长为 0.0001可以取得较满意的效果。图 4-7 扰动观察法仿真模型（ a）计算值 D (b) 光伏组件输出电流 I （ c）光伏组件输出电压 U （ d）光伏组件输出功率 P 图 4-8 扰动观察法仿真结果4.4 DC-DC 变换器实现 MPPT 在光伏发电系统中， 其功率的输出易受到外界环境的影响， 通常在光伏阵列和负载之间接入 DC/DC变换器。 DC/DC变换电路实际就是光伏电池和负载的一种负载阻抗匹配器， 其主要有两大作用： 一是作为系统最大功率点跟踪控制器， 通过调节光伏电池所接的等效输入阻抗， 使光伏发电系统工作在光伏电池的最大功率点处； 二是对光伏电池的输出电压进行控制。 在光伏发电系统最大功率点跟踪控制器中使用的 DC/DC变换电路主要有降压型 (Buck) 变换器、升压型 (Boost) 变换器和升 - 降压型 (Buck-Boost) 等。DC/DC变换器作为一种负载阻抗匹配器，其匹配过程就是系统控制环节输出的信号调制成应用于变换器的 PWM波， 控制开关管的导通与关断来达到等效输入阻抗与电池内阻相匹配的过程，即通过控制占空比来实现最大功率跟踪。4.4.1 Boost 变换器实现 MPPT阻抗匹配问题iR0RIiV 0V图 4-9 线性电路图图中所示，上图为线性电路图， iV 为电源电压， iR 为电源内阻， 0R 是负载电阻，负载电阻 0R 消耗的功率为 : 5402002 RRRURIPi对 0R 求导，得6430020 RRRRUdRdPii令 00dRdP , 即0RRi ，功率 P 取得最大值。对于一个线性电路， 当负载电阻 0R 和电源内阻 iR 相等时， 电源输出功率 P 最大。 虽然太阳能电池和 Boost 电路都是非线性的， 但是在其工作点附近很小的范围内， 可以将它们看作是线性电路。 因此， 只要调节 Boost 电路等效输入阻抗 R ，使它始终等于太阳能电池的内阻 sR ，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输出，也就是实现了太阳能电池的最大功率跟踪。Boost 变换器所接负载阻抗是否为任意值时， 都能够通过阻抗变换实现光伏电池阵列最大功率输出呢？由式 LRDR 21 可知， 21 D 是小于 1 的数， 由此表明 Boost 变换器只能够实现将较大的负载阻抗变换成较小的等效输入阻抗。如下图所示， R 为Boost 电路等效输入阻抗， 1LR 为 Boost 变换器的较大 （ RRL1 ） 负载阻抗， 2LR为 Boost 变换器的较小（ RRL 2 ）负载阻抗。 Boost 变换器可以通过调节占空比 D 将负载线 1LR 向 a 的方向进行变换达到等效输入阻抗 R ，而不能通过调节占空比 D 将负载线 2LR 向 b 的方向进行变换达到等效输入阻抗 R 。 总之当负载阻值大于光伏阵列的匹配阻抗时， 可以通过 Boost 电路变换为匹配阻抗， 反之则不可能实现。AI /2LR1LRRbaVU /图 4-10 Boost 变换器实现 MPPT 阻抗匹配示意图4.4.2 Boost 变换器工作原理本课题中的直流变换器采用的是 Boost 电路。 Boost 电路可始终工作在输入电流连续的状态下， 只要输入电感足够大， 则电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流， 因此只需加入容量较小的无感电容甚至不加电容， 从而避免了加电容带来的种种弊端。同时， Boost 电路非常简单，由于功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。 一般， 一个小型的太阳能光伏发电系统的输出电压不超过50V，而并网的电压在 311V。因此，为了满足并网需要，需要在太阳能电池板与并网逆变器之间加入升压变换器。Boost 变换器是输出电压高于输入电压的单管直流变换器， 其电路拓扑结构如下图所示， 由光伏阵列、 电感 L、 开关管 T、 二极管 D、 电容 C 和负载 R构成。iV oVLi Di oICiSiL DCMOSFETRL图 4-11 Boost 变换器电路拓扑结构工作原理：变换器有电感电流连续模式和电感电流断续模式两种工作模式。假设变换器工作在连续模式下，当开关管 T 导通期间 ont ，电路等效为下图4-11(a) ， 二极管 D反偏关断， 电源 sU 通过导通的开关管 T 向储能电感 L 进行储能，滤波电容 C开始放电，供给负载电阻 R；当开关管 T 关断期间 offt ，电路等效为下图 4-11(b) ，二极管 D正向导通，电源 iV 和储能电感 L 共同流经续流二极管 D向负载电阻 R供电，同时，滤波电容 C充电。LC RiV oV（ a）LC RDiV oVLi Di oICi（ b）图 4-12 BOOST变换器两种开关状态下的等效电路当电路工作状态处于稳定时，一周期 sT 内，储能电感 L 储存的能量和释放出的能量相等。针对以上的电路，有如下表达式 : 74010 ssss DTUUDTU整理后可得该 Boost 电路的输出表达式为 : 841 10 sUDU其中， D 为开关管导通的占空比， 10 D 。由式可知， 111D，所以输出电压 0U 大于电源电压 sU ，因此称该电路为升压电路。4.4.3 Boost 变换器器件选择1. 储能电感 L 的选择电感 L 在电路中起着能量传递、 滤波的作用， 由于电感电流是输入电流， 电感电流的波动状况直接关系到电路的纹波电流大小、 电磁兼容性和工作噪音等方面指标， 因此电流的波动越小越好。 在 Boost 变换器中， 在满足系统正常需求的情况下， 尽量选择数值低的电感， 这样不但可以减小纹波电流、 降低对器件的要求，还可以减少开关损耗。假设电感电流相对纹波系数为 ，开关管频率 sf ，负载阻抗 R 。用 来描述电感电流的相对波动情况，表达式为 : 942LLII在开关管导通期间 ont ，可知 : 104dtdiLV LL电流变化为：114sioniLL fLDVLtVLtVI则计算输入电感的公式：124212 1222ssLosLisLifRDDfIDDVfIDVfIDVL当 1时， Boost 电路工作在临界连续模式下 : 当 1时， Boost 电路工作在电流连续模式下 : 当 1 时， Boost 电路工作在电流断续模式下。为了保证Boost 电路工作在电流连续模式下，电感的取值范围应为sfRDDL21 2 。根据所选光伏电池的规格，光伏系统仿真参数取 Boost 变换器输入电压V7.21sU 、 输出电压 V450U 、 负载电阻 52R 、 开关管频率 kHz20sf 、电感电流纹波系数 2.0 、输出电压纹波系数 006.0 、开关管的占空比518.0D 。可得电流连续模式下的电感值：134μH2.78210202.02 52518.01518.021 322sfRDDL2. 滤波电容 C的选择当开关管关断期间 offt ，二极管 D正向导通，通过电容 C 的放电来维持对负载电阻 R的供电， 引起了电容电压的下降， 形成纹波电压。 假设电压的纹波系数为 : 14400VV当开关管导通期间 ont ，电容 C放电， 0II C 。由154dtdVCI CC则可以确定滤波电容 C的计算公式：16400ssConfRDfRVDVVTIC可得电流连续模式下的电容值 : 174μF1.41710107.20006.0518.03sfRDC3. 开关器件 MOSFET的选型开关管的额定电流应大于电感峰值电流的最大值， 电压额定值应大于输出电压。此系统选用功率场效应管，它是多数载流子导电，不存在存储效应，因此上升和下降速度快，存储时间短，开关损耗小，可以在很高的开关频率下工作。这里选用 n 沟道增强型 MOSFET功率管 I 。4. 二极管 D的选型二极管的选择主要是对正向压降、 反向压降及开关速度等几个参数因素进行综合考虑。 正向压降越高功率损耗越大， 另外二极管关断时间太长将影响转换器的转换效率， 甚至可能产生瞬间高压， 损坏元器件， 除此之外二极管必须具有较高的反向电压。4.4.4 仿真实现根据上述计算的参数值和系统仿真参数的选取， 在 Matlab/Simulink 仿真环境下，建立起 Boost 变换器的仿真模型 , 下图 3 所示。仿真时间为 0.2s ，经过仿真调试，当电感值取 260mH、电容值取时 470μ F，电路仿真效果较好。 Boost 变换器输出电压仿真波形如图 4-13 所示。图 4-13 MPPT — BOOST 仿真建模图 4-14 BOOST 输出电流 I 图 4-15 BOOST 输出电压 U 4.5 本章小结本章首先介绍了光伏组件最大功率点跟踪的相关知识，根据介绍的几种MPPT 方法选取本设计采用的扰动观察法进行了 MATLAB 仿真，并结合某光伏阵列生产厂家提供的光伏阵列相关参数， 设计了基于 BOOST 电路的 MPPT 控制电路，达到了最大功率点跟踪。