基于Buck变换器的光伏发电系统MPPT控制

第 29 卷第 2 期2 0 1 0 年 6 月计 算 技 术 与 自 动 化Computing T echnology and A utomationVol 29, No 2Jun. 2 0 1 0收稿日期 : 2010- 01- 12作者简介 : 陈 丽 ( 1985 ) , 女 , 湖南岳阳人 , 硕士研究生 , 研究 方向 : 智能检测 技术与装 置 ( E- mail: chenli19851215 @ 126. com) ; 王英健 ( 1958 ) , 男 , 湖南长沙人 , 教授 , 研究方向 : 智能检测技术与装置。文章编号 : 1003- 6199(2010) 02- 0028- 04基于 Buck 变换器的光伏发电系统 MPPT 控制陈 丽 , 王英健( 长沙理工大学 电气与信息工程学院 , 湖南 长沙 410014)摘 要 : 介绍以 Buck 变换器为对象的太阳能光伏发电系统 。 用 Buck 变换器实现对光伏发电系统的最大功率跟 踪 , 采用逐次逼近法的 M PPT 控制策略 , 通过调节 Buck 变换 器的 PWM 占空 比输出 , 使得 负载的等效阻抗 跟随光伏电池的输出阻抗 , 使 光伏阵 列在任 何条件下 获得最 大功率 输出 , 跟踪 最大功率 。 仿真表明 M PPT (最大 功率跟踪 ) 控制策略的可行性 。关键 词 : 光伏发电系统 ; Buck 变换 器 ; MPPT; 逐次逼近法中图 分类号 : T P27 文献标识码 : AThe MPPT Control for Photovoltaic Generating SystemBased on a Buck ConverterCH EN Li, WANG Ying jian(Collegeof Electricaland Information Engineering, Changsha U niversity of scienceand technology,Changsha 410014, China)Abstract: T he paper intro duces photov oltaic generating system based on Buck converter. the maximum power trackingcan be achieved by using Buck converter , the M PPT contr ol strateg y of successive approximation method is adopted in t hepaper, Equivalent resistance of load w ill change w ith the output resistance of photo voltaic battery by adjust ing PWM DutyRatio output of Buck converter, which makes photo voltaic arr ay getting the maximum pow er output on any conditio n, t racking maximum power. The experimental results confir m feasibility of M PPT contro l str ategyKey words: photo voltaic generating sy stem; buck converter; maximum pow er point tracking; successive approx imatio nmethod1 引 言随着科学技术的发展 , 新能源得到了越来越广泛的应用。由于光伏发电安全可靠、 运行费用少、维护简单、 随处可用等特点 [ 1 ] , 使得光伏发电在我国得到了快速的发展 , 尤其在解决偏远地区的用电问题 , 发挥着重要的作用。光伏电池的输出特性受到外界温度、 光照辐射强度的影响而发生很大的变化 , 使光伏电池始终能够输出最大的功率以便更有效地利用太阳能是光伏发电系统的基本要求。本文所设计的系统通过控制 Buck 变换器的 PWM 占空比输出 , 调整负载的阻抗特性 , 从而调节输出功率 , 使系统供需达到平衡 ; 并采用逐次逼近法的最 大功率跟踪控 制策略 , 对最大功率点进行跟踪。2 独立运行光伏发电系统如图 1 所示 , 整个独立供电的光伏发电系统由光伏电池板、 DC/ DC 变换器、 蓄电池、 控制器、 逆变器等组成。光伏电池板所担负着将太阳能转换为电能的作用 , 通过 DC/ DC 直流转换为蓄电池和负载所需的电压 ; 由于太阳能和蓄电池所发出的是直流电 , 当负载为交流负载时 , 逆变器是不可少的 ; 蓄电池一般采用铅酸蓄电池 , 主要用来储存太阳能电第 29 卷第 2 期 陈 丽等 : 基于 Buck 变换器的光伏发电系统 M PPT 控制池方阵受光照时所发出的电能并可随时向负载供电 [ 2 ] ; 控制器是光伏发电系统的核心部件之一 , 通过调节 DC/ DC 变换器的占空比 , 使光伏电池始终工作在最大功率点上 , 并实时检测 系统的状态参数 , 做出相应的控制。图 1 系统结构设计图3 光伏电池的数学模型在光照强度和环境强度一定时 , 太阳能光伏电池既非恒电压源 , 也非恒流源 , 也不可能为负载提供任意大的功率 , 是一种非线性直流电源 [ 3 ] 。其等效电路如图 2 所示 , 等效数学模型为 :I pv = I ph - I o exp q V pv + I pvR snK T - 1 -Vpv + I pvR sRsh ( 1)式中 , I ph 为 光生电流 ; I o 为二极管的反向饱和电流 ; V p v 为光伏电池输出电压 ; q 为单位电荷 ( 1. 610- 19 k 库 仑 ) ; k 为 玻 耳 兹 曼 常 数 ( 1. 3810- 23 J / K ) ; T 为绝对温度 ( K ) ; n 为二极管指数。图 2 光伏电池等效电路现代光伏电池中 , 旁路电阻 Rsh 的值一般都很大 , 所以在进行理想电路的计算时 , 可以忽略不计。4 Buck 变换器特性Buck 电路属于串联型开关变换器 , 又称降压变换器 , 由电压源、 串联开关、 电感器和二极管构成 [ 4 ] 。 如图 3 所示。图 3 Buck 变换器变换器的输入输出关系如下 :U oUi =t ont on + t off =tonT = ( 2)假设 L 值为无穷大 , 且负载电流平直。 则有 :I i = I o ( 3)联合 ( 2) 、 ( 3) 可得出 :U oI o =U i1 I i =2 UiI i ( 4)则可知 ,Ro = 2 Ri ( 5)式中 ton Q 处于通态的时间 , t of f Q 处于断态的时间 , T 开关周期 , 导通占空比 , 简称占空比或导通比。由 ( 5) 式可知 , 通过对占空比的调整可以起到调整输出负载阻抗大小的作用 , 利用光伏电池的软负载特性达到对其光伏电池工作点电压进行调整的目的 , 实现跟踪控制光伏阵列的输出始终工作在最大功率点处 , 这样就可以提 高光伏电池输 出效率 , 使光伏电池得到最大的利用。5 MPPT 控制策略如图 4 所示 [ 5 ] , 在一定 的光照强度和环 境温度下 , 光伏电池可以工作在不同的输出电压 , 但是只有在某一点输出电压时 , 光伏电池的输出功率才能达到最大值。I 电流 ; I sc 短路电流 ; I m 最大工作电流 ; V 电压 ;V oc 开路电压 ; V m 最大工作电压 ; Pm 最大功率图 4 光伏电池的伏安特性曲 线29计算技术与自动化 2010 年 6 月本 文采用逐次逼近法的 MPPT 控制策略 , 根据DC/ DC变换器的特性 , 对 PWM 占空比输出进行调整 , 通过改变当前的 阻抗情况来满足最大功率输出的要 求 , 使系统运行在 当前工况下的最佳状态 。逐次 逼近法的 MPPT 控制策略的基本原理 , 如图5所示。 在系统启动时 , 设定最初的占空比 D, 固定步长 T, Pt 、 Dt 为 t 时刻光伏发电系统输出功率和占空比 值 , 首先以一定的 趋势调节 PWM 占空比输出 , 对 t- 1、 t时刻所对应的光伏 发电系统输出功率进行 比较 ,然后确定 下一步 PWM 占空比输 出。 当 Pt > P t- 1 时 , t时 刻所对应的系统输出功 率比 t - 1 时刻所对应的输出 功率更加接近最大功率点 P max , 则占空比输出按照原 趋势继续进行 , 直到系统输出功率达到最大功率点 ; 当 Pt < Pt- 1 时 , 则 t- 1 时刻所对应的 系统输出功率 比 t 时刻 所对应的值更加接近最大功率点 Pmax , 占空 比输出调节为与原趋势 相反的方向输出 , 直到系统输 出功率达到最大功率点 。6 系统仿真应用 MAT L A B 工具箱 SI M UL I N K 对系统进行仿真 , 光伏发电系统仿真模块由光伏电池板模块、 蓄电池模块、 DC/ DC 变换器模块等构成 , 如图6 所示。 温度 T、 光照强度 Q、 Vm、 Voc、 Im 和 I sc 依次为 25!C、 1kw / m2 、 30V、 40V、 10A 、 15A 。其中光伏电池板仿真模块如图 7 所示。图 5 逐步逼近法图图 6 M PPT 控制的系统仿真模型图 7 光伏阵列仿真模型30第 29 卷第 2 期 陈 丽等 : 基于 Buck 变换器的光伏发电系统 M PPT 控制MPPT 控制策略仿真结果如图 8 所示。图 8 M PPT 功率追踪图从上图可以看出 , 通过对 PWM 占空比的输出调节 , 实现了对最大功率点的跟踪 , 从而证明了逐步逼近法的 MPPT 控制策略的正确性。6 结束语太阳能光伏发电系统中 , 如何提高光伏电池的利用率 , 实时调整光伏电池的工作点成为一个关键性的问题。本文采用的基于 Buck 变换器光 伏发电系统的 MPPT 控制方法 , 通过调节 PWM 占空比输出 , 使得负载的等效阻抗跟随光伏电池的输出阻抗 , 从而使得光伏电池输出功率最大 , 实现了对最大功率点的跟踪。参考文献[ 1] 春兰、 王生铁 . 独立运行 光伏发电 系统功率 控制研究 [ D] . 包头 : 内蒙古工业大学 , 2007[ 2] 赵争鸣、 刘建 政 . 太阳 能光伏 发电及 其应用 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 2005[ 3] 胡静、 张建成 . 基于数值 方法的光 伏发电系 统 MPPT 控制算法研究 [ J]. 电力科学与工程 , 2009, 25( 7) : 1- 6.[ 4] 王兆安 , 黄 俊 . 电 力电 子技 术 [ M ] . 北京 : 机械 工 业出 版社 ,2000.[ 5] EDU ARDOL Ortiz Rivera. M aximum Power Point T rackingusing the Optimal Duty Ratio for DC - DC C onverters andLoad M atching in Ph otovoltaic Application s[ J] . IEEE. 2008,20( 7): 67- 73.31