第四章--BOOST變換器實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率跟蹤(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第4章 BOOST變換器實(shí)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(qiáng)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(jià)格昂貴，初期投入較大。并且其輸出功率易受日照強(qiáng)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(shí)時(shí)地跟蹤光伏陣列的最大功率點(diǎn)。本設(shè)計(jì)分析了幾種常用最大功率點(diǎn)跟蹤算法，最終采用擾動(dòng)觀察法控制Boost電路實(shí)現(xiàn)光伏組件最大功率點(diǎn)跟蹤

2、，并對(duì)其進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。4.1最大功率點(diǎn)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(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)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(jìn)行實(shí)時(shí)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(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽電池方陣的輸出能量。最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT)策略實(shí)時(shí)檢測光伏陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當(dāng)前工作情況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當(dāng)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(yùn)行在當(dāng)前工況下的最佳狀態(tài)，下面具

3、體說明它的工作原理。由于光伏電池具有非線性的輸出特點(diǎn)，不易進(jìn)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(fù)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(duì)求導(dǎo)，因?yàn)椤⒍际浅?shù)，所以可得： (4-2)從式(4-2)可以看出，當(dāng)Ro=Ri時(shí)，PRo有最大值。對(duì)于線性電路來說，當(dāng)負(fù)載電阻等于電源內(nèi)阻時(shí)，電源輸出最大功率。雖然太陽電池是強(qiáng)非線性的，然而在極短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為是線性電路?？梢?，在一定的溫度和光照強(qiáng)度下，光伏陣列能否工作在最大功率點(diǎn)處取決于其所帶的負(fù)載大小，如果負(fù)載電阻的大小和電池內(nèi)阻一致，即可實(shí)現(xiàn)MPP

4、T。光伏電池的工作情況如圖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(qiáng)度下，電池的電流、電壓(I-V)輸出特性。假設(shè)，電池所帶負(fù)載為電阻，直線為負(fù)載電阻的I-V特性。二者的交點(diǎn)即為光伏陣列的工作點(diǎn)，如點(diǎn)A、B、C。工作點(diǎn)的電壓電流要同時(shí)符合光伏電池的I-V特性和負(fù)載自身的I-V特性。如果兩條線的交點(diǎn)不在最大功率點(diǎn)處，此時(shí)負(fù)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(shí)刻光伏發(fā)電系統(tǒng)工作于穩(wěn)定狀態(tài)下，負(fù)載特性線與光伏電池特性曲線交于點(diǎn)A，當(dāng)光照強(qiáng)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(shí)如果負(fù)載電阻保持不變，系統(tǒng)的工作點(diǎn)A

5、將沿負(fù)載特性線向光伏電池新的特性曲線2處轉(zhuǎn)移，最終運(yùn)行在新的穩(wěn)態(tài)點(diǎn)B?？墒窃陔姵匦碌妮敵鎏匦郧€2上其最大功率點(diǎn)是C點(diǎn)，可見此時(shí)的負(fù)載和光伏陣列己處于失配的狀態(tài)，系統(tǒng)工作點(diǎn)偏離了相應(yīng)光照強(qiáng)度下的最大功率點(diǎn)。只有改變光伏電池所帶負(fù)載的大小，讓新的負(fù)載特性線與電池的輸出特性曲線相交于點(diǎn)C，才能實(shí)現(xiàn)負(fù)載和電池的再次匹配，令系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處。因此，只要通過一定的控制策略讓負(fù)載電阻始終等于太陽能電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，也就實(shí)現(xiàn)了太陽電池的MPPT。在光伏電池的輸出端，通常接上一個(gè)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

6、圖雖然太陽能電池和DC/DC變換電路均為強(qiáng)非線性特征，但在小的時(shí)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(fù)載。這樣，光伏方陣所接的等效負(fù)載就是DC/DC變換器占空比D和其所帶負(fù)載的函數(shù)，調(diào)節(jié)變換器的占空比就可以達(dá)到改變光伏方陣負(fù)載的目的，從而實(shí)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(diǎn)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(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等，下面將對(duì)這幾種主要的MPPT控制方法的特點(diǎn)加以分析。4.2.1 恒定電壓控制法當(dāng)溫度一定時(shí)，不同光強(qiáng)下太陽電池最大功率點(diǎn)

7、幾乎落在同一根垂直線的兩側(cè)鄰近，這就有可能把最大功率點(diǎn)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(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但是恒定電壓控制法的控制精度較差，特別是對(duì)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(shí)，光伏電池的控制器就不能自動(dòng)的跟蹤到光伏電池的新的最大功率點(diǎn)，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(yùn)行。采用CVT來實(shí)現(xiàn)MPPT控制，由于

8、其良好的可靠性和穩(wěn)定性，目前在光伏系統(tǒng)中仍被較多使用，但隨著光伏系統(tǒng)控制技術(shù)的計(jì)算機(jī)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(dòng)態(tài)電導(dǎo)值與此時(shí)的靜態(tài)電導(dǎo)的負(fù)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(diǎn)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(diǎn)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(duì)U求導(dǎo)，求得:當(dāng)時(shí)，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(dá)太陽電池最大功率點(diǎn)所需滿足的條件。當(dāng)時(shí)，光伏電池板就沒有工作在最大功率

9、點(diǎn)，此時(shí)分兩種情況:當(dāng)時(shí)，U值比最大功率點(diǎn)電壓偏小，應(yīng)該增大擾動(dòng)量；當(dāng)時(shí)，U值比最大功率點(diǎn)電壓偏大，應(yīng)該減小擾動(dòng)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(shí)電導(dǎo)值的大小來決定參考電壓變化的方向。4.2.3 擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法又稱為爬山法，擾動(dòng)觀察法的實(shí)現(xiàn)簡單，所需檢測的參數(shù)少，是實(shí)現(xiàn)MPPT的常用方法。該方法的基本思想是：測量當(dāng)前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個(gè)小電壓分量(或稱之為擾動(dòng))，其輸出功率會(huì)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(dòng)，若減小則改變?cè)瓟_動(dòng)方向。圖4-5 擾動(dòng)觀察法示意圖光伏系統(tǒng)控制器在每個(gè)控制周期

10、用較小的步長改變光伏陣列的輸出，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(duì)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(cuò)誤，需要改變“干擾”的方向。當(dāng)給定參考電壓增大時(shí)，若輸出功率也增大，則工作點(diǎn)位于圖4-5中最大功率點(diǎn)左側(cè)，需繼續(xù)增大參考電壓；若輸出功率減小，則工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，需要減小參考電壓。當(dāng)給定參考電壓減小時(shí)，若輸出功率也減小，則工作點(diǎn)位于的左側(cè)，需增大參考電壓,若輸出功率增大，則工作點(diǎn)位子的右側(cè)，需繼續(xù)減小參考電壓。這樣

11、，光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)就能逐漸接近當(dāng)前最大功率點(diǎn)，最終在其附近的一個(gè)較小范圍往復(fù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。圖4-6 擾動(dòng)觀察法控制流程圖4.3運(yùn)用擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真研究本設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀察法對(duì)光伏電池進(jìn)行最大功率跟蹤，運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，仿真建模如圖4-7設(shè)置仿真時(shí)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(jì)升壓求的的占空比，可求的負(fù)載電阻為20.7。占空比擾動(dòng)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(zhǔn)確；如果步長小，則系統(tǒng)反應(yīng)慢，但相對(duì)精確。仿真圖中取占空比擾動(dòng)步長為0.0001可以取得較滿意的效果。圖4-7 擾動(dòng)觀察法仿真模型（a）計(jì)算值D

12、(b)光伏組件輸出電流I（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(dòng)觀察法仿真結(jié)果4.4 DC-DC變換器實(shí)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(fù)載之間接入DC/DC變換器。DC/DC變換電路實(shí)際就是光伏電池和負(fù)載的一種負(fù)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(diǎn)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(diǎn)處；二是對(duì)光伏電池的輸出電壓進(jìn)行控制。在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)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(Buc

13、k-Boost)等。DC/DC變換器作為一種負(fù)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(hào)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(dá)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(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。4.4.1 Boost變換器實(shí)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(fù)載電阻，負(fù)載電阻消耗的功率為:對(duì)求導(dǎo)，得令,即，功率取得最大值。對(duì)于一個(gè)線性電路，當(dāng)負(fù)載電阻和電源內(nèi)阻相等時(shí)，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(diǎn)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)B

14、oost電路等效輸入阻抗，使它始終等于太陽能電池的內(nèi)阻，就可以實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率輸出，也就是實(shí)現(xiàn)了太陽能電池的最大功率跟蹤。Boost變換器所接負(fù)載阻抗是否為任意值時(shí)，都能夠通過阻抗變換實(shí)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(fù)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(fù)載阻抗，為Boost變換器的較?。ǎ┴?fù)載阻抗。Boost變換器可以通過調(diào)節(jié)占空比將負(fù)載線向a的方向進(jìn)行變換達(dá)到等效輸入阻抗，而不能通過調(diào)節(jié)占空比將負(fù)載線向b的方向進(jìn)行變換達(dá)到等效輸入阻抗?？傊?dāng)負(fù)載阻

15、值大于光伏陣列的匹配阻抗時(shí)，可以通過Boost電路變換為匹配阻抗，反之則不可能實(shí)現(xiàn)。圖4-10 Boost變換器實(shí)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(shí)，Boost電路非常簡單，由于功率開關(guān)管一端接地，其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更為方便。一般，一個(gè)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

16、電池板與并網(wǎng)逆變器之間加入升壓變換器。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?fù)浣Y(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(fù)載R構(gòu)成。圖4-11 Boost變換器電路拓?fù)浣Y(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(dāng)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(chǔ)能電感L進(jìn)行儲(chǔ)能，濾波電容C開始放電，供給負(fù)載電阻R；當(dāng)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?chǔ)能電感L共同流經(jīng)續(xù)流二極管D向負(fù)載電阻R供電，同時(shí)，濾波電容C

17、充電。（a）（b）圖4-12 BOOST變換器兩種開關(guān)狀態(tài)下的等效電路當(dāng)電路工作狀態(tài)處于穩(wěn)定時(shí)，一周期內(nèi)，儲(chǔ)能電感儲(chǔ)存的能量和釋放出的能量相等。針對(duì)以上的電路，有如下表達(dá)式:整理后可得該Boost電路的輸出表達(dá)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(chǔ)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(dòng)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(biāo)，因此電流的波動(dòng)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

18、，這樣不但可以減小紋波電流、降低對(duì)器件的要求，還可以減少開關(guān)損耗。假設(shè)電感電流相對(duì)紋波系數(shù)為，開關(guān)管頻率，負(fù)載阻抗。用來描述電感電流的相對(duì)波動(dòng)情況，表達(dá)式為:在開關(guān)管導(dǎo)通期間，可知:電流變化為：則計(jì)算輸入電感的公式：當(dāng)時(shí)，Boost電路工作在臨界連續(xù)模式下:當(dāng)時(shí)，Boost電路工作在電流連續(xù)模式下:當(dāng)時(shí)，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(fù)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(dāng)開關(guān)管關(guān)斷期間，二極管D正向?qū)?，通過電容C的放電來維持對(duì)負(fù)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(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通期間，電容C放電，。由則可以確定濾波電容C的