基于光伏升壓與最大功率跟蹤設計

馬雄倉，熊 威

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基于光伏升壓與最大功率跟蹤設計

馬雄倉，熊 威

（武漢船用電力推進裝置研究所, 武漢 430064）

太陽能光伏系統是將太陽能轉化為電能，而太陽能電池電壓一般比較小且為非線性。本文采用boost DC/DC升壓電路和最大功率跟蹤爬山法做了分析設計，結合MATLAB/SIMULINK軟件環境，進行相關實驗和仿真。

太陽能電池 boost DC/DC 爬山法

0 引言

太陽能光伏發電是光伏電池將太陽光能轉化為電能的過程。光伏效應(Photovoltaic Effect)是法國科學家Becqurel于1839年發現的。當半導體N型硅和P型硅結合時，N型區的電子擴散到P型區，P型區的空穴擴散到N型區，在此物理作用下，N型帶正電荷，P型帶負電荷，在硅半導體內部產生電場，形成PN結。當太陽光在半導體PN結上作用時，就可形成新的空穴-電子對，在PN結電場的作用下，空穴將由N型區流向P型區，而電子由P型區流向N型區，當電路接通后就形成導通電流；這就稱為光電效應即太陽能光伏電池的工作原理[1,2]。

太陽能電池單體工作電壓只有0.45～0.50V，工作電流為20～25mA/cm2，所以太陽能單體電池單獨存在時一般沒有實用價值。在工程中，將太陽能電池單體進行串聯和并聯后，就成為太陽能電池組件。當前實用的太陽能電池組件功率從幾瓦到幾百瓦不等，在目前并網發電系統中，由于太陽能電池組件構成的系統達不到并網逆變器輸入側所要求的直流電壓，一般采用DC/DC直流升壓模塊將太陽能陣列輸出的直流電壓升高達到并網逆變器輸入側所需要的電壓[3]。

1 DC/DC升壓

DC/DC升壓系統有很多種，變換器分為非隔離型和隔離型，按照輸出是否與調整元件（開關器件）等構成的其它部分是否隔離來區分。隔離型變換器具有升壓范圍寬，工作安全可靠等優點，但由于采用了變壓器，從而導致成本升高，體積大，工藝復雜，能耗高；因此本系統采用非隔離型Boost電路進行升壓。

1.1 Boost電路參數設計

電路設計見圖1。

1.2 Boost電路工作原理

則輸入電壓Vo和輸出電壓Vi之間的關系式為：

假設為理想電路沒有任何損耗，即：

其中：P——Boost電路輸入功率；

0——Boost輸出功率；

I——Boost輸入電流平均值；

0——Boost輸出電流平均值。

則由式(5)、(6)、(7)、(8)可得：

其中Iin是Boost電路電感上的平均電流，因此可得：

將式(12)、(13)代入式(11)可得：

聯立式(5)、(8)、(10)、(14)、(15)可得：

設：

為保證額定情況下滿足紋波電流的要求，因此必須使：

以上是Boost電路電感的確定方法[5]。

考慮成本和體積故取=1.8 mH。

電容電壓和電流的基本關系式為：

將式(1-7)代入式(1-22)可得：

電力中輸出電壓的紋波越小越好，為了在額定情況下使輸出電壓滿足紋波要求，因此，就必須使得實際所選擇的電容滿足如下關系：

所以取350μF。

2光伏系統MPPT控制

2.1太陽能電池特性

太陽能電池是用半導體材料的光伏效應制成的，光伏效應是指半導體材料吸收光能后能轉化為電能產生電動勢的現象。太陽能電池的基本特性和半導體二極管類似，當半導體材料吸收光能后，由光子激發出的電子和空穴經過分離就會產生電動勢[6]。太陽能電池是光電轉換的最小單元，單體不作為電源使用，將太陽能電池單體進行串、并聯并封裝就成為太陽能電池組件，眾多太陽電池組件按需求再進行串并聯后就可形成太陽能電池陣列[7]。太陽能電池的等效電路圖如下圖3所示：

則可得太陽能電池的I-V特性曲線方程如下：

各參數代表的意思如下：—輸出電流（A）；—輸出電壓（V）；I—光電流（A）；I—二極管反向飽和電流（A）；—等效并聯電阻（）；R—等效串聯電阻（）；

由公式（27），可畫出太陽能電池的I-V特性曲線，P-V特性曲線如下圖4：為在一定光照強度和溫度下最大功率點輸出功率[8]。太陽能電池的方程是表示在某一確定的日照強度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的特定關系，從圖4中I-V特性曲線上可以看出：太陽能電池非恒壓源，也非恒流源，它不能為負載提供任意大小的功率，是一種非線性直流電源系統[9]。

2.2 MPPT爬山法

爬山法也叫擾動觀察法，其控制原理是電壓的變化始終是讓光伏電池的輸出功率向更大的方向改變[10]。爬山法的本質是一個自尋最大點的過程，系統通過檢測當前光伏陣列的輸出電壓與輸出電流，計算出當前的輸出功率；然后再給系統一個擾動量，測出擾動后陣列的輸出電壓和輸出電流進而計算出擾動后時刻的輸出功率，并與未擾動前的輸出功率進行比較，若功率增加，則按照剛才的擾動方式繼續進行，假如功率減小，則按照與原來擾動方式相反的方式進行擾動，如此循環的進行下去，最后讓光伏陣列工作在最大功率點附近[11]。爬山法的原理示意圖如圖5所示。

計算機比較V2、V1，當V2>V1時，且P2>P1，則由圖5說明光伏電池陣列工作在上坡段，則需要使輸出電壓變大，從而從圖5中曲線左側向最大功率點Pm靠近：相反若V2>V1，且P2

3仿真實驗

Boost電路進行matlab/simulink仿真和具體實驗近[14]，如下圖7所示。

從仿真圖8、圖9、圖10的結果和我們實驗結果可以看出占空比為60%、40%與30%的時候都可以達到系統所需要的輸入直流電壓值，所以本電路設計和參數選擇符合要求，達到了預期設計要求。

4結論

本文首先太陽能電池特性進行了分析介紹，其次對Boost電路的元器件進行了設計；并用matlab/simulink軟件進行了仿真；達到了設計目的。然后，對MPPT的基本理論進行了介紹。

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Design of Photovoltaic System Based on Boost Voltage and MPPT

Ma Xiongcang, Xiong Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM743

A

1003-4862（2016）05-0012-04

2016-01-09

馬雄倉(1982-), 男，碩士, 工程師。研究方向：電力電子技術。