基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的光伏MPPT研究

賈浩文,高 波，徐海濤，張 利

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

基于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的光伏MPPT研究

賈浩文,高 波，徐海濤，張 利

(山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

在太陽(yáng)能發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤中應(yīng)用最多的電路是Boost電路，Boost電路的輸入端通常需要并聯(lián)一個(gè)大濾波電容使輸出端電壓穩(wěn)定。為了提高光伏最大功率跟蹤的速度，在Boost電路的基礎(chǔ)上，研究了兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路。設(shè)計(jì)了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法，應(yīng)用在兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路中。在MATLAB/SIMULINK模塊中搭建仿真模型，仿真結(jié)果表明，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路穩(wěn)定在功率最大點(diǎn)的速度更快,比Boost電路提高了負(fù)載的輸出功率。

太陽(yáng)能；最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)；兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost；變步長(zhǎng)；電導(dǎo)增量法

0 引言

太陽(yáng)能發(fā)電將光能轉(zhuǎn)化成電能，是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的能源，有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。光伏輸出功率受多種環(huán)境因素的影響主要包括光照強(qiáng)度和溫度，光伏發(fā)電實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)成為了主要的研究方向。目前常用的方法有恒壓法(CVT)、擾動(dòng)觀察法(P&O)或稱爬山法、電導(dǎo)增量法等多種MPPT控制方法[2，3]，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

本文在傳統(tǒng)的最大功率跟蹤Boost電路基礎(chǔ)上[4]，研究了一種更加適用于太陽(yáng)能發(fā)電最大功率跟蹤的兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路[5-9]。通過(guò)研究傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法[10，11]，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法作為最大功率跟蹤控制方法。兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路應(yīng)用在光伏發(fā)電中，很大程度上使主電感的電流紋波幅值減小，同時(shí)能夠使濾波電容的值減小。仿真過(guò)程中采用這種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。

1 光伏陣列的特性

太陽(yáng)能電池的數(shù)學(xué)表達(dá)式[12]如下:

(1)

太陽(yáng)能電池輸出功率與輸出電壓之間的表達(dá)式為：

(2)

圖1 不同光照的P-U關(guān)系

式中：Ipv為光伏陣列的輸出電流；IL為光伏電池的光生電流；Upv為光伏電池的輸出電壓；q為電荷常量；K為玻爾茲曼常數(shù)；A為光伏電池的PN結(jié)系數(shù)；T為絕對(duì)溫度；I0為電池反向飽和電流；Rs為光伏電池的串聯(lián)電阻；Rsh為光伏電池的并聯(lián)電阻。

根據(jù)公式(1)在MATLAB/SIMULINK模塊中搭建了光伏陣列的數(shù)學(xué)模型，測(cè)試輸出功率與外界溫度和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。在外界溫度為25 ℃的環(huán)境下調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度分別測(cè)試了在500W/m2、600W/m2、800W/m2、1 000W/m2下的輸出功率波形圖。圖1為太陽(yáng)能電池板在不同光照強(qiáng)度下輸出功率與電壓之間的關(guān)系。

圖2為太陽(yáng)能電池板在800W/m2光照強(qiáng)度下0 ℃、25 ℃、50 ℃、75 ℃不同溫度輸出功率與電壓之間的關(guān)系。

圖2 不同溫度的P-U關(guān)系

根據(jù)圖1可知，光照強(qiáng)度增強(qiáng)輸出功率也在不斷變大。由圖2可知，外界溫度變大光伏的輸出功率將不斷的變小。可知溫度和光照強(qiáng)度對(duì)光伏的輸出功率有很大的影響[13]。

2 兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路

Boost電路作為DC/DC轉(zhuǎn)換電路廣泛的應(yīng)用在光伏最大功率跟蹤中。本文在Boost電路的基礎(chǔ)上研究了兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，這種電路是由2個(gè)Boost電路并聯(lián)在一起，基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于電路是由2個(gè)Boost電路并聯(lián)在一起，在一個(gè)導(dǎo)通周期內(nèi)開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖相差180°，相互導(dǎo)通減小了輸入電流的紋波幅值，當(dāng)2個(gè)Boost電路的導(dǎo)通比都工作在0.5時(shí)，此時(shí)輸入電流的紋波等于0。

圖3 兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路

2個(gè)Boost電路以導(dǎo)通比D=0.5作為臨界條件，其中D=0.5是最佳工作狀態(tài)，其工作狀態(tài)主要分為3種D<0.5、D>0.5和D=0.5。太陽(yáng)能發(fā)電主要工作在D>0.5的狀態(tài)下，下面以D>0.5為例介紹兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的工作過(guò)程。

當(dāng)D>0.5時(shí)，電路工作在如圖4所示4個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)a時(shí)，S1和S2同時(shí)閉合,二極管D1和D2同時(shí)斷開(kāi)。狀態(tài)b時(shí)，S1閉合S2斷開(kāi)，此時(shí)二極管D1斷開(kāi)，二極管D2導(dǎo)通。狀態(tài)c和狀態(tài)a完全一樣。狀態(tài)d時(shí)S1斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2閉合，二極管D1導(dǎo)通，二極管D2斷開(kāi)。

D>0.5的狀態(tài)方程如下：

狀態(tài)a方程為：

(3)

圖4 工作狀態(tài)圖

狀態(tài)b方程為：

(4)

狀態(tài)c方程為：

(5)

狀態(tài)d方程為：

(6)

根據(jù)一個(gè)周期內(nèi)L1和L2的伏秒特性得：

(7)

同理可以得知，D<0.5和D=0.5時(shí)的伏秒特性同樣為式(7)。

由上面的推導(dǎo)可知，當(dāng)D>0.5、D<0.5和D=0.5時(shí)兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為：

(8)

由以上推導(dǎo)可知，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路同樣通過(guò)調(diào)節(jié)占空比D可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，由于兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路是由2個(gè)傳統(tǒng)的Boost電路并聯(lián)在一起，工作時(shí)2個(gè)Boost電路在一個(gè)工作周期內(nèi)相互導(dǎo)通，由于導(dǎo)通角相差180°，并且電路中存在電感，可知相互導(dǎo)通減小了輸入端輸入電流的紋波幅值。同時(shí)傳統(tǒng)的Boost電路為了穩(wěn)定輸出端的電壓，常常在輸入端并聯(lián)一個(gè)大電容，由于交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的相互導(dǎo)通性減小了輸入端電容值，節(jié)約了成本。綜合以上兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路的特點(diǎn)可知，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路更加適合在光伏最大功率跟蹤中應(yīng)用。

3 變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法

通過(guò)分析光伏電池的等效模型得出要想使輸出功率最大，必須讓輸出電阻的值等于光伏電池的等效內(nèi)阻，這樣通過(guò)調(diào)節(jié)DC/DC電路的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT。在多種MPPT控制方法中電導(dǎo)增量法是一種適應(yīng)于光照強(qiáng)度突變和溫度突變的控制方法，經(jīng)常使用的電導(dǎo)增量法是采用定步長(zhǎng)的方式，步長(zhǎng)的選擇影響了功率跟蹤的穩(wěn)定性，步長(zhǎng)過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)給輸出功率造成影響。步長(zhǎng)選擇過(guò)大系統(tǒng)反應(yīng)快，但是輸出功率的穩(wěn)定性差，如果選擇了過(guò)小的步長(zhǎng)，雖然提高了輸出功率的穩(wěn)定性，但是反應(yīng)慢。本文根據(jù)輸出功率的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法。

下面分析電導(dǎo)增量法的原理，公式(9)中V和I分別為采集到的電壓和電流，P為太陽(yáng)能電池板的輸出功率。

P=VI

(9)

由公式(9)把電流I當(dāng)做V的函數(shù)方程兩邊對(duì)V求導(dǎo)得：

(10)

由式(10)化簡(jiǎn)得：

(11)

圖5 MPPT控制流程圖

4 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型，設(shè)置外界溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度800 W/m2,設(shè)置光伏電池的開(kāi)路電壓為21.1 V，短路電流5 A，最大工作電壓17.1 V，最大功率電流4.6 A，通過(guò)仿真得出波形圖。

圖6是兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路2個(gè)電感L1和L2在D=0.5時(shí)的輸出電流波形圖，從圖中可以看出，當(dāng)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通比工作在D=0.5時(shí)，輸入電流的紋波值為0，此時(shí)是電路的理想工作狀態(tài)。圖7為D=0.3時(shí)的電感和電流波形圖，圖中可以看出，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路可以減小輸入電流紋波值，同時(shí)使紋波頻率增加了1倍，所以可以大大減小輸入端濾波電容值。

圖6 D=0.5時(shí)兩相交錯(cuò)并聯(lián)主電感電流

圖7 D=0.3時(shí)兩相交錯(cuò)并聯(lián)主電感電流

圖8 交錯(cuò)并聯(lián)Boost和Boost電路輸出功率

圖8為把變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法同時(shí)應(yīng)用在兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和Boost電路中進(jìn)行光伏最大功率跟蹤時(shí)，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和Boost電路輸出功率的波形圖，對(duì)比2個(gè)輸出功率波形圖可知，在0.03 s左右兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路已經(jīng)基本平穩(wěn)達(dá)到最大功率點(diǎn)，而B(niǎo)oost電路的輸出功率還處于增大狀態(tài)，兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路比傳統(tǒng)的Boost電路更快地達(dá)到最大功率點(diǎn)，輸出的功率更加平穩(wěn)，整體輸出功率的轉(zhuǎn)化率高于傳統(tǒng)的Boost電路。相比之下兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路輸出功率波形較為理想，更好地實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)跟蹤。兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路中更能準(zhǔn)確地跟蹤到功率的最大點(diǎn)，響應(yīng)速度更快，而B(niǎo)oost電路跟蹤緩慢。

圖9為2種MPPT算法應(yīng)用在Boost電路的輸出功率波形，從仿真的輸出波形圖可以看出，在Boost電路中固定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在0.1 s處達(dá)到最大功率點(diǎn)，變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在0.02 s處達(dá)到最大功率點(diǎn)，最終都保持在最大功率點(diǎn)處，可知變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法達(dá)到最大功率點(diǎn)的速度比固定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的速度快。并且從輸出的波形可以看出，固定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法的輸出功率波動(dòng)比較大，而變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法能夠快速地達(dá)到最大功率點(diǎn)處，最終使輸出功率穩(wěn)定地保持在最大功率點(diǎn)處。總體來(lái)說(shuō)變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法避免了輸出功率的振蕩，提高了輸出功率的穩(wěn)定性和功率跟蹤的效率。

圖9 變步長(zhǎng)和固定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法輸出功率

5 結(jié)論

本文研究了一種變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法在兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路中的應(yīng)用。在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路減小了輸入電流的紋波幅值，增加了紋波幅值的頻率，減小了太陽(yáng)能電池板輸出電流紋波。通過(guò)把變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法應(yīng)用在Boost電路和兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路可知，兩交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路比Boost電路更能準(zhǔn)確跟蹤到最大功率點(diǎn)，可知變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法使最大功率的跟蹤速度更快，準(zhǔn)確性更高。從仿真得出的波形圖可知，變步長(zhǎng)比固定步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法能夠更快速、更穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，保持在功率的最大點(diǎn)，使輸出功率更加穩(wěn)定。由以上分析可知兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路和變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法應(yīng)用在光伏MPPT中，提高了最大功率跟蹤的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高了最大功率跟蹤的速度。仿真說(shuō)明了變步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法應(yīng)用在兩相交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤有很大的優(yōu)點(diǎn)。

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Research on Photovoltaic MPPT Based on Interleaved Boost Circuit

JIA Haowen，GAO Bo，XU Haitao，ZHANG Li

(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Scienceand Technology，Qingdao 266590，China)

In photovoltaic power generation systems, one of the most used MPPT circuit is the Boost circuit. A large filter capacitance is usually required to be connected in parallel to the input terminal of circuit Boost in order to stabilize the output voltage. Aiming at improving the speed of photovoltaic maximum power tracking, on the basis of Boost circuit, a two-phase interleaved Boost circuit is studied in this paper. A variable step size incremental conductance method is designed for maximum power point tracking, and is applied in two-phase interleaved Boost circuit. The model is set up in the Matlab/Simulink simulation, and the simulation results show that two phase staggered parallel Boost circuit is quicker in reaching steady state than traditional Boost circuit, and this circuit increases the output power of the load in comparison with traditional Boost circuit.

photovoltaic power；maximum power point tracking(MPPT)；two-phase interleaved Boost circuit；variable step size；incremental conductance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.002

2017-01-06。

TM731

A

1672-0792(2017)04-0007-06

賈浩文(1990-)，男，碩士研究生，主要從事新能源技術(shù)方面研究。