第四章--BOOST變換器實現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤13頁

1、第4章 BOOST變換器實現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤光伏發(fā)電存在的問題是光伏陣列的輸出特性受外界環(huán)境影響大，電池表面溫度和日照強度的變化都可以導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化。并且，由于目前光伏陣列的成本高、轉(zhuǎn)換效率低，價格昂貴，初期投入較大。并且其輸出功率易受日照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，充分利用光伏陣列所產(chǎn)生的能量是光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本要求，在現(xiàn)在的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通常要求光伏陣列的輸出功率始終保持最大，即系統(tǒng)要能實時地跟蹤光伏陣列的最大功率點。本設(shè)計分析了幾種常用最大功率點跟蹤算法，最終采用擾動觀察法控制Boost電路實現(xiàn)光伏組件最大功率點跟蹤，并對其進行了仿真驗證。4

2、.1最大功率點跟蹤技術(shù)將太陽電池的電壓U和電流I檢測后相乘得到功率P，然后判斷太陽電池此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，則調(diào)整脈寬，調(diào)制輸出占空比D，改變充電電流，再次進行實時采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣尋優(yōu)過程可保證太陽電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽電池方陣的輸出能量。最大功率點跟蹤控制(MPPT)策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當前工作情況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當前的阻抗情況來滿足最大功率輸出的要求。這樣即使光伏電池的結(jié)溫升高使陣列的輸出功率減少，系統(tǒng)仍可以運行在當前工況下的最佳狀態(tài)，下面具體說明它的工作原理。由于光

3、伏電池具有非線性的輸出特點，不易進行數(shù)學(xué)分析，所以先利用簡單的線性電路來研究最最大功率跟蹤的基本原理。簡單的線性電路原理如圖4-1所示。其負載上的功率為： (4-1)圖4-1 簡單的線性電路原理圖將(4-1)式對求導(dǎo)，因為、都是常數(shù)，所以可得： (4-2)從式(4-2)可以看出，當Ro=Ri時，PRo有最大值。對于線性電路來說，當負載電阻等于電源內(nèi)阻時，電源輸出最大功率。雖然太陽電池是強非線性的，然而在極短的時間內(nèi)，可以認為是線性電路?？梢姡谝欢ǖ臏囟群凸庹諒姸认?，光伏陣列能否工作在最大功率點處取決于其所帶的負載大小，如果負載電阻的大小和電池內(nèi)阻一致，即可實現(xiàn)MPPT。光伏電池的工作情況如圖

4、3-2所示。圖4-2 光伏電池工作情況示意圖其中曲線是不同光照強度下，電池的電流、電壓(I-V)輸出特性。假設(shè)，電池所帶負載為電阻，直線為負載電阻的I-V特性。二者的交點即為光伏陣列的工作點，如點A、B、C。工作點的電壓電流要同時符合光伏電池的I-V特性和負載自身的I-V特性。如果兩條線的交點不在最大功率點處，此時負載和光伏陣列就處于失配的狀態(tài)，光伏陣列轉(zhuǎn)換的電能就沒有被充分的利用。上圖中，在某一時刻光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)下，負載特性線與光伏電池特性曲線交于點A，當光照強度發(fā)生變化，即光伏電池的輸出特性由曲線1下降到曲線2。此時如果負載電阻保持不變，系統(tǒng)的工作點A將沿負載特性線向光伏電池新

5、的特性曲線2處轉(zhuǎn)移，最終運行在新的穩(wěn)態(tài)點B?？墒窃陔姵匦碌妮敵鎏匦郧€2上其最大功率點是C點，可見此時的負載和光伏陣列己處于失配的狀態(tài)，系統(tǒng)工作點偏離了相應(yīng)光照強度下的最大功率點。只有改變光伏電池所帶負載的大小，讓新的負載特性線與電池的輸出特性曲線相交于點C，才能實現(xiàn)負載和電池的再次匹配，令系統(tǒng)工作在最大功率點處。因此，只要通過一定的控制策略讓負載電阻始終等于太陽能電池的內(nèi)阻，就可以實現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實現(xiàn)了太陽電池的MPPT。在光伏電池的輸出端，通常接上一個DC/DC變換電路，作為最大功率跟蹤控制器，如圖4-3所示。圖4-3 光伏最大功率跟蹤器的基本原理圖雖然太陽能電池和DC/D

6、C變換電路均為強非線性特征，但在小的時間間隔里，兩者均可以看為線性電路。因此，等效把太陽能電池看成直流電源，DC/DC變換電路看成外部阻性負載。這樣，光伏方陣所接的等效負載就是DC/DC變換器占空比D和其所帶負載的函數(shù)，調(diào)節(jié)變換器的占空比就可以達到改變光伏方陣負載的目的，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。4.2 幾種常用MPPT算法分析與比較目前，太陽電池的最大功率點跟蹤(MPPT)控制技術(shù)已發(fā)展出各種控制方法，常用的有恒定電壓控制法、擾動觀察法、電導(dǎo)增量法等，下面將對這幾種主要的MPPT控制方法的特點加以分析。4.2.1 恒定電壓控制法當溫度一定時，不同光強下太陽電池最大功率點幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)

7、鄰近，這就有可能把最大功率點的軌跡線近似地看成電壓為常數(shù)的一根垂直線，亦即只要保持太陽電池的輸出端電壓為常數(shù)且等于某一日照強度下相應(yīng)于最大功率點的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽電池輸出最大功率，這就是CVT控制的理論依據(jù)。圖4-4 恒定電壓控制法CVT方式具有控制簡單，可靠性高，穩(wěn)定性好，易于實現(xiàn)等優(yōu)點，但是恒定電壓控制法的控制精度較差，特別是對于早晚和四季溫差變化劇烈的地區(qū)，一旦它的工作環(huán)境明顯變化時，光伏電池的控制器就不能自動的跟蹤到光伏電池的新的最大功率點，即沒有自尋優(yōu)的能力，造成了能量的極大損耗，必須人工干預(yù)才能良好運行。采用CVT來實現(xiàn)MPPT控制，由于其良好的可靠性和穩(wěn)定性，目

8、前在光伏系統(tǒng)中仍被較多使用，但隨著光伏系統(tǒng)控制技術(shù)的計算機及微處理器化，該方法正在逐步被新方法所替代4.2.2 電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法是通過光伏陣列輸出端的動態(tài)電導(dǎo)值與此時的靜態(tài)電導(dǎo)的負數(shù)相比較，以判斷調(diào)節(jié)光伏陣列輸出電壓方向的一種最大功率點跟蹤方法。我們知道，由于太陽能電池P-V特性是一單峰值曲線，在最大功率點Pmax處，有的關(guān)系。功率P可以由電壓U與電流I表示，即。將等式的兩端對U求導(dǎo)，求得:當時，上式中，為電池板增量過程中的電流前后的差值，為電池板增量過程中的電壓前后的差值。式(4.4)即為到達太陽電池最大功率點所需滿足的條件。當時，光伏電池板就沒有工作在最大功率點，此時分兩種情況:當時，

9、U值比最大功率點電壓偏小，應(yīng)該增大擾動量；當時，U值比最大功率點電壓偏大，應(yīng)該減小擾動量。這種方法的根本思想就是通過比較輸出電導(dǎo)的變化量和瞬時電導(dǎo)值的大小來決定參考電壓變化的方向。4.2.3 擾動觀察法擾動觀察法又稱為爬山法，擾動觀察法的實現(xiàn)簡單，所需檢測的參數(shù)少，是實現(xiàn)MPPT的常用方法。該方法的基本思想是：測量當前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個小電壓分量(或稱之為擾動)，其輸出功率會發(fā)生改變，測量出改變后的功率，比較改變前的即可知道功率變化的方向。如果功率增加就繼續(xù)使用原擾動，若減小則改變原擾動方向。圖4-5 擾動觀察法示意圖光伏系統(tǒng)控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的

10、輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減小，控制對象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”；然后，通過比較干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，若，說明參考電壓調(diào)整的方向正確，可以繼續(xù)按原來的方向“干擾”；若，說明參考電壓調(diào)整的方向錯誤，需要改變“干擾”的方向。當給定參考電壓增大時，若輸出功率也增大，則工作點位于圖4-5中最大功率點左側(cè)，需繼續(xù)增大參考電壓；若輸出功率減小，則工作點位于最大功率點右側(cè)，需要減小參考電壓。當給定參考電壓減小時，若輸出功率也減小，則工作點位于的左側(cè)，需增大參考電壓,若輸出功率增大，則工作點位子的右側(cè)，需繼續(xù)減小參考電壓。這樣，光伏陣列的實際工作點就能

11、逐漸接近當前最大功率點，最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達到穩(wěn)態(tài)。圖4-6 擾動觀察法控制流程圖4.3運用擾動觀察法進行仿真研究本設(shè)計采用擾動觀察法對光伏電池進行最大功率跟蹤，運用MATLAB進行仿真，仿真建模如圖4-7設(shè)置仿真時間為0.1s，光照為1000W/m2,溫度為25，根據(jù)峰值工作電壓、峰值工作電流和預(yù)計升壓求的的占空比，可求的負載電阻為20.7。占空比擾動步長決定功率變化的步長，如果步長值較大，則系統(tǒng)響應(yīng)快，但不準確；如果步長小，則系統(tǒng)反應(yīng)慢，但相對精確。仿真圖中取占空比擾動步長為0.0001可以取得較滿意的效果。圖4-7 擾動觀察法仿真模型（a）計算值D (b)光伏組件輸出電流I（

12、c）光伏組件輸出電壓U （d）光伏組件輸出功率P圖4-8擾動觀察法仿真結(jié)果4.4 DC-DC變換器實現(xiàn)MPPT在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，其功率的輸出易受到外界環(huán)境的影響，通常在光伏陣列和負載之間接入DC/DC變換器。DC/DC變換電路實際就是光伏電池和負載的一種負載阻抗匹配器，其主要有兩大作用：一是作為系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制器，通過調(diào)節(jié)光伏電池所接的等效輸入阻抗，使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在光伏電池的最大功率點處；二是對光伏電池的輸出電壓進行控制。在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制器中使用的DC/DC變換電路主要有降壓型(Buck)變換器、升壓型(Boost)變換器和升-降壓型(Buck-Boost)等。DC/

13、DC變換器作為一種負載阻抗匹配器，其匹配過程就是系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)輸出的信號調(diào)制成應(yīng)用于變換器的PWM波，控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來達到等效輸入阻抗與電池內(nèi)阻相匹配的過程，即通過控制占空比來實現(xiàn)最大功率跟蹤。4.4.1 Boost變換器實現(xiàn)MPPT阻抗匹配問題圖4-9 線性電路圖圖中所示，上圖為線性電路圖，為電源電壓，為電源內(nèi)阻，是負載電阻，負載電阻消耗的功率為:對求導(dǎo)，得令,即，功率取得最大值。對于一個線性電路，當負載電阻和電源內(nèi)阻相等時，電源輸出功率最大。雖然太陽能電池和Boost電路都是非線性的，但是在其工作點附近很小的范圍內(nèi)，可以將它們看作是線性電路。因此，只要調(diào)節(jié)Boost電路等效輸入阻抗，

14、使它始終等于太陽能電池的內(nèi)阻，就可以實現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率輸出，也就是實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率跟蹤。Boost變換器所接負載阻抗是否為任意值時，都能夠通過阻抗變換實現(xiàn)光伏電池陣列最大功率輸出呢？由式可知，是小于1的數(shù)，由此表明Boost變換器只能夠?qū)崿F(xiàn)將較大的負載阻抗變換成較小的等效輸入阻抗。如下圖所示，為Boost電路等效輸入阻抗，為Boost變換器的較大（）負載阻抗，為Boost變換器的較小（）負載阻抗。Boost變換器可以通過調(diào)節(jié)占空比將負載線向a的方向進行變換達到等效輸入阻抗，而不能通過調(diào)節(jié)占空比將負載線向b的方向進行變換達到等效輸入阻抗。總之當負載阻值大于光伏陣列的匹配阻抗時

15、，可以通過Boost電路變換為匹配阻抗，反之則不可能實現(xiàn)。圖4-10 Boost變換器實現(xiàn)MPPT阻抗匹配示意圖4.4.2 Boost變換器工作原理本課題中的直流變換器采用的是Boost電路。Boost電路可始終工作在輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，只要輸入電感足夠大，則電感上的紋波電流小到接近平滑的直流電流，因此只需加入容量較小的無感電容甚至不加電容，從而避免了加電容帶來的種種弊端。同時，Boost電路非常簡單，由于功率開關(guān)管一端接地，其驅(qū)動電路設(shè)計更為方便。一般，一個小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出電壓不超過50V，而并網(wǎng)的電壓在311V。因此，為了滿足并網(wǎng)需要，需要在太陽能電池板與并網(wǎng)逆變器之間加入

16、升壓變換器。Boost變換器是輸出電壓高于輸入電壓的單管直流變換器，其電路拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示，由光伏陣列、電感L、開關(guān)管T、二極管D、電容C和負載R構(gòu)成。圖4-11 Boost變換器電路拓撲結(jié)構(gòu)工作原理：變換器有電感電流連續(xù)模式和電感電流斷續(xù)模式兩種工作模式。假設(shè)變換器工作在連續(xù)模式下，當開關(guān)管T導(dǎo)通期間，電路等效為下圖4-11(a)，二極管D反偏關(guān)斷，電源通過導(dǎo)通的開關(guān)管T向儲能電感L進行儲能，濾波電容C開始放電，供給負載電阻R；當開關(guān)管T關(guān)斷期間，電路等效為下圖4-11(b)，二極管D正向?qū)?，電源和儲能電感L共同流經(jīng)續(xù)流二極管D向負載電阻R供電，同時，濾波電容C充電。（a）（b）圖4-1

17、2 BOOST變換器兩種開關(guān)狀態(tài)下的等效電路當電路工作狀態(tài)處于穩(wěn)定時，一周期內(nèi)，儲能電感儲存的能量和釋放出的能量相等。針對以上的電路，有如下表達式:整理后可得該Boost電路的輸出表達式為:其中，為開關(guān)管導(dǎo)通的占空比，。由式可知，所以輸出電壓大于電源電壓，因此稱該電路為升壓電路。4.4.3 Boost變換器器件選擇1.儲能電感L的選擇電感L在電路中起著能量傳遞、濾波的作用，由于電感電流是輸入電流，電感電流的波動狀況直接關(guān)系到電路的紋波電流大小、電磁兼容性和工作噪音等方面指標，因此電流的波動越小越好。在Boost變換器中，在滿足系統(tǒng)正常需求的情況下，盡量選擇數(shù)值低的電感，這樣不但可以減小紋波電流

18、、降低對器件的要求，還可以減少開關(guān)損耗。假設(shè)電感電流相對紋波系數(shù)為，開關(guān)管頻率，負載阻抗。用來描述電感電流的相對波動情況，表達式為:在開關(guān)管導(dǎo)通期間，可知:電流變化為：則計算輸入電感的公式：當時，Boost電路工作在臨界連續(xù)模式下:當時，Boost電路工作在電流連續(xù)模式下:當時，Boost電路工作在電流斷續(xù)模式下。為了保證Boost電路工作在電流連續(xù)模式下，電感的取值范圍應(yīng)為。根據(jù)所選光伏電池的規(guī)格，光伏系統(tǒng)仿真參數(shù)取Boost變換器輸入電壓、輸出電壓、負載電阻、開關(guān)管頻率、電感電流紋波系數(shù)、輸出電壓紋波系數(shù)、開關(guān)管的占空比?？傻秒娏鬟B續(xù)模式下的電感值：2.濾波電容C的選擇當開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管D正向?qū)ǎㄟ^電容C的放電來維持對負載電阻R的供電，引起了電容電壓的下降，形成紋波電壓。假設(shè)電壓的紋波系數(shù)為:當開關(guān)管導(dǎo)通期間，電容C放電，。由則可以確定