光伏发电系统最大功率跟踪的Boost电路改进

摘 要 介绍了 Boost 电路的工作原理 ， 详细解析了利用其实现最大功率跟踪 （ MPPT ） 的理论依据 ，给出了适用于 MPP T 控制的 Boost 电路参数选择方法和改进方案 。 对所述变换电路进行 Multisim 软件仿真研究和实际电路调试 ， 并验证了理论分析 、 设计方法和改进方案的合理性 。关键词 最大功率跟踪 Boost 电路 参数选择仿真研究太阳能电池的 I - U 曲线和 P - U 曲线具有非线性特性 ， 在一定的温度和日照强度下 ， P - U 特性为单峰曲线 ， 具有唯一的极大值点 ， 即太阳能电池的最大功率点 。 当电池工作在该点时能输出当前温度和日照 条 件 下 的 最 大 功 率 ［ 1 ］ 。 然 而 ， 日 照 强 度 、 环 境 温度 、 负荷状态等因素的改变 ， 会使太阳能电池阵列的电压 、 电流均发生很大的变 化 ， 从而改变其 工 作 曲线 ， 最大功率点也在时刻变化 。 为了最大限度地利用太阳能 ， 让太阳能电池在一定的环境条件下输出尽可能高的功率 ， 就必须对其最大功率点进行跟踪控制 。最大功率跟踪 （ MPPT） 实际上是一个电路动态负载匹配的过程 。 通常的实现方法是在太阳能电池与负载之间接一个 DC / DC 转换电路 ， 它可以通过控制电压将不可控的直流输入变为可控的直流输出 。 当外界条件变化引起最大功 率点发生变动时 ， 只要 调 节DC / DC 变换电路 （ Boost 电路 ） 的开关占空比使外电路等效电阻始终等于太阳能电池内电阻 ， 实现动态负载匹配 ， 就可以得到太阳能电池的最大功率输出 。 虽然 太 阳 能 电 池 和 DC / DC 变 换 电 路 特 性 都 是 非 线 性的 ， 但是在极短的时间内 ， 可以按线性处理 ［ 2］ 。1 Boost 电路的基本工作原理根据输入电压与输出电压关系的不同 ， DC / DC转换电路可分为降压 、 升压和升降压三种基本类型 。由于光伏阵列工作时受太阳辐射度的影响比较大 ， 即天气状况对其有很大的影响 ， 综合分析后 ， 一般选用升压型 DC / DC 变换电路 。 因为升压型 Boost 电路可以始终工作在输入电流连续状态 ， 只要输入电感足够大 ， 电感上的纹波电流就 能小到接近平滑的直 流 电流 ， 电路非常简单 ［ 3］ 。 另外 ， 在小型直流系统中 ， 常常会出现光伏电池的输出电压低于负载工作电压 （ 或蓄电池充电电压 ） 的情形 ， 在这类系统中 ， 选用升压型 Boost 电路来实现最大功率跟踪是较为合适的 。升压型 Boost 电路原理如图 1 所示 。 图中 ， 作为开关器件的 Q 是 N 沟道金属氧化物半导体场效应管MOSFET （ 也可使用晶闸管 ）， 输出电压 U o 与输入电压 Ui 的 比例关系就是通过控制 Q 栅极 PWM （ 脉 宽调制 ） 信号的导通占空比来调节的 。设电感和电容的取值足够大 ， 电路每个工作周期按 Q 导通和关断分为两个阶段 。 当 Q 导通 ， 电感 L储能 ， 电感电流增加 ， 感应电动势为左正右负 ， 二极管 D 截 止 ， 负 载 仅 靠 储 于 电 容 C 的 能 量 维 持 工 作 ；鲁正林 陈一飞 （ 中国农业大学信息与电气工程学院 ， 北京市 100083 ）Lu Zhenglin Chen Yifei （ College of Information f ——— 开关频率 ;Uo ——— 输出电压 ;Δ U ——— 输出纹波电压 ;α ——— 最小开关占空比 。为了在整个输入电压和负载电阻变化范围内都满足相应的工作模式 ， α 取 α min， 计算临界电感时 R 取Rmax， 计算滤波电容时 R 取 Rmin。3. 3 输入端并联电容的改进实现光伏电池的最大功率跟踪 ， 需要不断检测电池 的 输 出 电 压 与 输 出 电 流 ， 经 A / D 转 换 送 入 单 片机 ， 单片机根据所采用的控制算法进行一系列判断处理后发出相应的 PWM 控制信号 。 众多文献都提到用Buck 电路 、 Boost - Buck 电路实现 MPPT 控制时 ， 需在变换电路输入侧并接电容 ， 才能保证开关断开时太阳能电池的输出电流连续 ， 从而不损失发电功率 ， 而Boost 电路则不需要 。 但本文研究过程中发现 ， 当电路进入稳态以后 ， MOS 管处于导通和关断两种不同状态时 ， 检测点处的电压会产生很大波动 ， 这意味着同一稳定状态的不同采样时刻得到的数据将会有很大差异 ， 它将直接影响检测数值的可靠性 ， 从而降低控制性能 。 针对这一问题 ， 笔者提出在 PV 输出端 （ 也即 Boost 变换电路输入侧 ） 并联一个小电容的改进方案 。 它能够在 Boost 电路开关期间维持 PV 两端的电压 ， 实 质 上 降 低 了 PV 输 出 电 压 和 电 流 的 波 动 。 如果 对 采 样 的 数 据 再 进 行 数 值 滤 波 ， 可 以 得 到 更 精确 的 电 压电流采样值 。 此外 ， 这种并联电容改 进方法还能起到减小 Boost 电感值的作用 。4 仿真与实验分析笔 者 选 用 Multisim 软 件 对 图 1 所 示 电 路 进 行 仿真 ， 仿真模型如图 6 所示 。仿 真 模 型 中 ， 15 V 直 流 电 源 作 为 输 入 电 压 Ui ，二极管用 30EPH06， MOS 管用 IRF540N ， PWM 信号以 脉 冲 源 代 替 ， 驱 动 电 路 参 数 和 器 件 型 号 均 与 图 3相同 ， L = 1 mH， C = 470 μ F， R = 100 Ω ， f =10 kHz。给定不同的导通占空比 ， 得到表 1 所示数据 。 Ii 为变换 电 路 的 输 入 电 流 ， Req 代表由 （ 6） 式分析得到的等效输入阻抗 ， Req′ 则是实际测算得的输入阻抗 。由上表可以看出 ， 输入输出满足关系式 （ 3）， 等效输入电阻的实际值与理论值虽然有一定的差距 ， 但其变化规律和趋势却是与理论分析是相吻合的 。 出现这种差距的原因主要是理论值是在功率绝对平衡的理想状态 （ 即转换效率 100% ） 下得到的 ， 而从表中数据可知实际转换效率只有 85% 左右 。 器件自身的功率损耗和参数之间匹配不够好也对其产生了影响 。为研究参数对电路性能的影响 ， 又在固定占空比（ 50%） 条件下 ， 分别改变电感值和负载电阻值 ， 观图 6 Boost电路仿真框图Fig. 6 Block diagram for simulation of Boostcircuit表 1 不同占空比时的输入输出关系Tab. 1 Input-output relations at different duty cycleα Ui （ V ） Ii （ A） Uo （ V ） Req （ Ω ） Req′ （ Ω ）0 . 375 15 0. 441 23 . 795 39 . 1 34 . 00 . 400 15 0. 480 24 . 780 36 . 0 31 . 30 . 500 15 0. 695 29 . 739 25 . 0 21 . 60 . 550 15 0. 857 33 . 025 20 . 3 17 . 50 . 600 15 1. 080 37 . 156 16 . 0 13 . 9图 5 Boost 电路工作模式与电感及其最小电流的关系Fig. 5 Relationship of operating mode of Boost circuit ，inductance and its minimum current注 ： I o 为 Boost 电 路 的 输 出 电 流 ， I LV 为 电 感 L 的 最 小电流 。42210察其输出电压的变化 ， 得到表 2、 表 3 所示数据 。以上数据显示 ， 储能电感和负载电阻的取值会对Boost 电路的输出电压产生影响 ， 其规律是 ： L 越大 ，Uo 越低 ； R 越小 ， Uo 越低 。 但是当 L 超过某一个值（ 如表 2 中 680 μ H ） 后 ， 其变化对输出电压的影响很小 ， 这是因为电路已工作于电流连续状态 ； 当 R 小于某一值时 ， 其变化对输出电压的影响也并不明显 。而在 L 小于某一值或 R 大于某一值后 ， Boost 电路的输入输出关系不再满足 （ 3） 式 。 可见 ， 在实际设计中 ， 一定要估算负载范围 ， 再选择相应的电路参数 ，这对提高变换电路的调节性能很重要 。 此外 ， 用几个不同频率的脉冲源混合叠加来模拟干扰信号 ， 在与输入端电源串接干扰期间 ， Boost 电路输出电压产生微小波动 。 但撤除干扰后能 在一定时间内恢复到 原 来的稳态 。 而在 MOSFET 栅极 施加的干扰则会使其在关断期间误导通 ， 这对开关器件不利且增加其损耗 ，对输出电压和 MOS 管漏源电压波形也产生相应的影响 ， 所以该部分应注意抗干扰设计 。另外 ， 笔者对输入端并联小电容的 Boost 电路作了仿真分析 。 将电源内阻 r 调至 10 Ω ， 负载 R 调至100 Ω ， 电容 C1 取 10 μ F， 占空比 α = 0. 2， 其余条件均与前述相同 。 仿真结果如图 7 所示 。 可以看出 ， 加入该电容后 ， 检测点电压波 形大大改善 ， 有 效 提 高了检测的可靠性 ， 而且对输出电压基本不产生影响 。同时 ， 检测点处 的分压情况反映出该电路的阻 抗 变换关系与理论值很接近 。5 结论仿真和实验结果表明 ： 理论分析合理 ， 所设计的MOS 管驱动能可靠正常工作 ， 变换电路输入侧并 联小 电 容 可 改善 检 测 点 电压 的 波 形 ，直 接 提 高 电池 输 出 电 压采 样 值 的 准确性 。 此外 ，仿 真 结 果 显示 ， 负 载 与储 能 电 感 等因 素 会 直 接影 响 变 换 电路 的 输 出 ，建 议 在 具 体电 路 设 计 时先 估 算 负 载范围 ， 再进行相应的电路参数匹配 。 另外 ， 在 Boost输出端接蓄电池储能环节 ， 再由蓄电池给负载供电 ，这样可以保证负载获得稳定的电源 ， 而且能在一定程度上钳制住 Boost 电路的输出电压 。 同时 ， 当调节占空比 α 时就间接改变了光伏电池的输出电压并实现了其工作点的变化 。1 王飞 ， 余世杰 ， 苏建徽 ， 沈玉梁 . 光伏系统中最大功率跟踪的研究 . 电源技术应用 ， 2004， 7 （ 2）： 79 - 81.2 赵庚申 ， 王庆章 ， 许盛之 . 最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 . 太阳能学报 ， 2006， 27 （ 10）： 97 - 1001.3 赵宏 ， 潘俊民 . 基于 Boost 电路的光伏电池最大功率点跟踪系统 . 电力电子技术 ， 2004， 38 （ 3）： 55 - 57.4 茹东生 ， 章小梅 . 升压型 DC - DC 直流变换器的仿真研究 . 科技信息 ， 2007， （ 17）： 539 , 540.5 刘 树 林 ， 刘 健 ， 陈 勇 兵 . Boost 变 换 器 的 输 出 纹 波电压分析与最小电 感 设 计 . 西 安 交 通 大 学 学 报 ， 2007， 41（ 6）： 707 - 712.6 Jancarle L. Santos， Fernando Antunes， Anis Chehab，Cicero Cruz. A maximum power point tracker for PV systemsusing a high performance boost converter . Solar Energy， 2006（ 80）： 772 - 778.7 欧阳名三 ， 余世杰 ， 沈玉樑 . 采用单片机的太阳能电池 最 大 功 率 点 跟 踪 控 制 器 . 电子技术 ， 2002 （ 12）： 49 - 51.2008 - 09 - 18 来稿2009 - 04 - 03 修回表 2 L 变化对输出电压的影响 （ R = 100 Ω ）Tab. 2 Effect of changein L on the output voltage（ R = 100 Ω ）L（ μ H ） 2 000 1 000 820 680 430 360 300Uo （ V） 29 . 719 29 . 728 29 . 739 29 . 741 30. 705 32 . 780 35 . 227表 3 负载 R 变化对输出电压的影响 （ L = 1mH）Tab. 3 Effect of change in load R on the output voltage（ L = 1mH）R （ Ω ） 1 000 510 150 100 75 20 10Uo （ V） 35 . 728 32 . 404 29 . 778 29. 728 29 . 687 29 . 450 29 . 135参 考 文 献电 气 节 能光伏 发 电 系 统 最大 功 率 跟 踪 的 Boost 电 路 改 进 （ 鲁 正 林 陈 一 飞 ）图 7 并接电容前后模拟 PV 侧输出电压 、 负载电压波形Fig. 7 Output voltage and load voltagewaveformson the analog PV side before andafter parallel capacitor is connected（ a） 未并联小电容时（ a） Without small parallel capacitor（ b） 并联小电容后（ b） With a small parallel capacitor43211