光伏发电系统最大功率跟踪的Boost电路改进-solarbe文库

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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