基于Boost变换器的光伏MPPT跟踪器设计-solarbe文库

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第 2 期2012 年 4 月机电元件ELECTROMECHANICAL COMPONENTSVol. 32 No. 2Apr. 2012收稿日期 2011 － 10 － 08研究与设计基于 Boost 变换器的光伏 MPPT 跟踪器设计王昊（中国矿业大学信息与电气工程学院，徐州 221000）摘要建筑集成光伏（ Building Integrated Photovoltaic，简称 BIPV）技术，是光伏发电技术的重要组成部分之一。模块式能量变换拓扑是 BIPV 技术的发展方向。本文根据直流模块式 BIPV 系统的需求提出了一种基于Boost变换器的最大功率点跟踪器设计，令光伏电池能在变光照的情况下始终输出最大功率。最后，通过 MAT-LAB 仿真验证了其适用性。关键词 BIPV； DC － DC 变换； MPPTDoi 10． 3969/j ． issn ． 1000 － 6133． 2012． 02． 002中图分类号 TM91 文献标识码 A 文章编号 1000 － 6133（ 2012） 02 － 0008 － 04Design of Photovoltaic MPPT Tracker Basedon Boost ConverterWANG Hao（ School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology， Xuzhou 221000， China）Abstract Building integrated photovoltaic is an important part of photovoltaic technology ．Modular power con-version topologyis the recent developing direction of BIPV technology ．A maximumpower point tracking designbasedon boost converter is proposedin this paper accordingto the requirementsof DC modular BIPV system， which couldkeeps photovoltaic cells output max power when light intensity is changing ． At last， its applicability is verified byMATLAB simulation ．Keywords BIPV； DC － DC converter； MPPT1 引言随着化石能源的日趋枯竭，开发新能源应用技术势在必行。以清洁、可再生的太阳能为能源的建筑集成光伏系统越来越受到世界各国的广泛关注。BIPV 系统将建筑与光伏系统结合在一起，能够有效降低系统成本、提高建筑能效、缩短能量回收周期，是解决能源与环境问题的重要策略之一［ 1］。国内外学者做了大量有关于光伏发电能量变换拓扑及相应电流变换器方面的研究。本文在此基础上，针对直流模块式 BIPV 系统提出了一种基于Boost变换器的前级最大功率点跟踪（ MPPT）的设计方法。2 直流模块式 BIPV 系统简介BIPV 系统可以分为并网 BIPV 系统、独立 BIPV系统和并网 /独立双模式运行 BIPV 系统［ 2］。并网BIPV 系统主要用于临近电网的城镇供电；独立 BI-PV 系统主要用于远离电网及不方便并网的乡村供电；双模式运行 BIPV 系统主要用于对供电有不间断要求的建筑。双模式 BIPV 系统的结构如图 1 所示。图 1 双模式 BIPV 系统框图Fig ． 1 Dual － modeBIPV System光伏发电系统常见的能量变换拓扑有集中式、多串式、交流模块式和直流模块式［ 3 ～ 7］等。其中，集中式是最早发展也是现在光伏发电系统中最常见的能量变换拓扑。这种拓扑结构简单，但是，抗局部阴影和组建参数失配能力不强，所以先后提出了串式、交流模块式和直流模块式能量变换拓扑。其中，直流模块式 BIPV 技术因其具有更好的适用性、可维护性、可拓展性，成为目前的研究热点。直流模块式结构如图 2 所示。这种系统和交流模块系统有相似之处，它给每一个光伏组件设置具有最大功率点跟踪功能的 DC － DC 变换器以构成直流模块，然后将许多直流模块并联至一定容量等级后通过集中逆变模块并入电网。这种结构除了具有图 2 直流模块式能量变换拓扑Fig ． 2 DC － module BIPV System抗电气参数失配和局部阴影能力强的优点以外，由于引入了直流母线，便于整合储能环节和其它能源发电单元并且可以实现并网、独立和双模式运行；便于为每一个模块集成载波通信单元，利用直流母线传输监控信号，准确反应每一个直流模块的运行情况。直流模块式能量变换拓扑是目前最符合 BIPV系统要求的一种能量变换拓扑。3 基于 Boost 变换器的 MPPT 环节设计光伏电池是一种发电效率随工作环境变换的一次能源。在一定的温度和光照条件下，光伏电池会在一个特定的工作电压下输出最大功率。这一点被称为最大功率点，其电压被称为最大功率点电压。最大功率点电压是随工作环境改变而改变的。常用光伏组件的最大功率点电压一般在 20 ～ 50V 范围内变化，直流模块式 BIPV 系统的直流母线电压为200V 或 400V。常见的开关电源都可以通过改变开关管的占空比实现自身输入阻抗的调节，从而使光伏电池板工作在最大功率点电压下。但是，为了实现模块电压与母线电压的匹配，显然不能用降压型直流变换器实现最大功率点跟踪。由于 Boost变换器具有结构简单，可靠性高，能够实现升压变换的特点，适合用作前级最大功率点跟踪设计。Boost－ MPPT仿真模型如图 3 所示。用于仿真的光伏电池板模型在光照 1000s/m2、 600s/m2 下的 P － V 曲线、 I － V 曲线分别如图 4 ～7 所示。由图可知，当光照强度为 1000s /m2 时，电池板的最大功率点电压约为 32V，输出功率约为170W；当光照强度为 600s /m2 时，电池板最大功率点电压约为 27V，输出功率约为 80W 。令 Boost 变换器在光照强度 1000s /m2 ～ 600s/m2 范围内变换时都工作在电感电流连续模式下，且输出电压纹波 1V ，电感 L 与电容 C 分别选择为 590μ H 和 400μ F，负载为 20 欧姆电阻。 MPPT算法采用扰动观察法，光照强度由信号发生器模拟，初始时刻光照强度为 1000s /m2 ， 0． 1s 时突变为 600s/m2 。所得到的仿真波形如图 8 ～ 11 所示。9第 2 期王昊基于 Boost变换器的光伏 MPPT 跟踪器设计图 3 Boost－ MPPT仿真模型Fig ． 3 Simulink Model of Boost－ MPPT图 4 1000s/ m2 时 PV 板 P － V 曲线Fig ． 4 P － V Curve of PV Panels （ 1000s/ m2 ）图 5 1000s/ m2 时 PV 板 I － V 曲线Fig ． 5 I － V Curve of PV Panels（ 1000s/ m2 ）图 6 600s/ m2 时 PV 板 P － V 曲线Fig ． 6 P － V Curve of PV Panels（ 600s / m2 ）图 7 600s/ m2 时 PV 板 I － V 曲线Fig ． 7 I － V Curve of PV Panels （ 600s/m 2 ）01 机电元件 2012 年图 8 光伏电池输出电压波形Fig ． 8 Voltage Output Waveform of PV图 9 光伏电池输出功率Fig ． 9 Power Output Waveform of PV图 10 Boost变换器输出电压波形Fig ． 10 Voltage Output Waveformof PV图 11 电感 L 电流波形Fig ． 11 Current Waveformof Inductance从波形图可以看出，初始 0s ～ 0． 1s 时，电池板输出电压在 32V 上下震荡，输出功率在 170W 附近震荡； 0． 1s ～ 0． 2s，由于光照的改变，变换器自动跟踪此时的最大功率点电压，令光伏电池工作在 28V 附近，输出功率约为 80W。这些与光伏电池板特性一致。除了实现最大功率点的跟踪，由于Boost电路的升压特性，令输出电压分别稳定在57V 和 40V，减轻后级电路的升压负担。在整个过程中，电感电流一直连续，输出电压纹波为 0．7V，满足设计要求。4 结语综上所述，单级 Boost 变换器可以完成最大功率点跟踪的要求，并可以实现小幅度升压，输出电压纹波较低，适合用在直流模块式 BIPV 系统的前级直流变换环节。其缺点在于不能与直流母线电压匹配，因此需要再串联一级电路，实现升压至直流母线要求，并在变光照条件下使电压稳定。参考文献［ 1］上海魔法核桃投资有限公司．光伏建筑一体化（ BI-PV）行业研究报告［ Z］．上海魔法核桃投资有限公司， 2008 ．［ 2］杨洪兴，周伟．太阳能建筑一体化技术与应用［ M］．北京中国建筑工业出版社， 2009 ．［ 3］ Yao Z， Wang Z， Xiao L， Yan Y． A novel control strat-egy for grid － interactive inverter in grid － connected andstand － alone modes ［ A］． IEEE APEC ＇ 06［ C］．IEEE， 2006． 779 － 783．［ 4］ Meinhardt M， CramerG， Burger B， Zacharias P． Multi－ string － converter with reduced specific costs and en-hanced functionality ［ J］． Solar Energy， 2000， 69217 － 227．［ 5］ Edurdo Roman， Ricardo Alonso， Pedro Ibanez， Dami-an Goitia ． Intelligent PV moudule for grid － connectedPV systems［ J］． IEEE Trans ． Industrial Electronics，2006， 53 （ 4） 1066 － 1073．［ 6］ Kjaer S B， Pedersen J K， Blaabjerg F． A Review ofSingle－ Phase Grid － ConnectedInverters for Photovol-taic Modules ［ J］． IEEE Transactions on Industry Ap-plications， 2005， 41 （ 5） 1292 － 1306．［ 7］ Liu B Y， Liang C H， Duan S X． Study on DC modulartopology of building integrated photovoltaics［ J］． ChinaJournal of Electrical Engineering， 2008， 28 （ 20） 99－ 104．11第 2 期王昊基于 Boost变换器的光伏 MPPT 跟踪器设计