三電平Boost變換器在光伏系統MPPT中的應用

朱志國，劉國巍

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，淮南 232000）

隨著化石燃料價格的提升和人們對環境問題的擔憂，使得可再生清潔能源備受青睞，光伏發電被認為是能夠滿足能源需求的重要戰略目標。光伏發電涉及的技術問題已經受到國內外研究者的重視，并且不斷地提出新的解決方案。輻照度、負載大小和環境溫度等因素影響光伏電池的輸出特性，因此有必要對光伏電池典型的非線性特點問題進行深入研究。

為了提高光伏發電系統的效率，最大功率點跟蹤 MPPT（maximum power point tracking）的研究具有十分重要的意義[1-3]。目前，國內外學者提出了一些MPPT算法：模糊控制法、電導增量法、恒壓法、擾動觀察法、滯環比較法和神經網絡法[4]。在此采用了控制方法相對簡單，能夠連續搜索最大功率點MPP的擾動觀察法來實現MPPT。由于光伏陣列輸出的電壓值較低，為了得到更高的電壓，同時解決高壓應力值問題，文中采用了三電平Boost變換器作為拓撲結構。

然而，輸出電容受到電壓波動的影響，容易導致電容器和開關器件的損壞，為了實現電容電壓的平衡，相關研究者提出了解決方法。文獻[5]提出通過采樣電感電流，利用電感電流的谷值來調整各開關的占空比，使其能夠提供快速的瞬態響應，從而實現電容電壓平衡。然而，通過給出輸入電容的固定基準值，難以進行軟啟動，對于寬輸入范圍電壓，可能無法實現電容電壓的平衡。為此，文中提出利用相移控制來平衡輸出電容電壓，并采用占空比控制來調節輸出電壓和MPP。

1 系統結構與三電平Boost變換器

1.1 系統結構

光伏發電系統結構如圖1所示。將光伏電池單元塊串聯以提高輸出電壓。輸出電壓采用具有MPPT的DC-DC變換器進行調節。對輸出電壓、輸入電壓和輸入電流進行采樣，并將采樣結果傳輸到數字信號處理器DSP中，以此定義MOSFET的驅動信號，使其精確地控制變換器并達到最大功率點。

圖1 光伏發電系統結構Fig.1 Photovoltaic power system structure

方程（1）和方程（2）描述了光伏電池的理想特性。方程式表明，光伏陣列的輸出電壓和輸出電流受到環境因素的影響。

式中：Uoc為光伏陣列的開路電壓；k為玻爾茲曼常數；T為絕對溫度；q為電荷常數；Iph為光感電流；Io為光伏陣列反向飽和電流；I為光伏陣列輸出電流；U為光伏陣列輸出電壓。

1.2 三電平Boost變換器

三電平Boost變換器的拓撲結構如圖2所示。功率級由1個電感、2個MOSFET、2個二極管和2個輸出電容組成。其運行狀態分為占空比>50%和占空比＜50%。

圖2 三電平Boost變換器的拓撲結構Fig.2 Topology structure of three-level boost converter

2 輸出電容電壓平衡與MPPT算法

2.1 輸出電容電壓平衡

文獻[6-7]研究了通過調整占空比來平衡電容電壓；文獻[8]研究了通過多電平電路預測控制策略平衡電容電壓；文獻[9]研究了通過對各電平電壓分層控制策略來平衡電容電壓；文獻[10]研究了通過各級電平均衡分配開關次數來平衡電容電壓。在此采用更加精確的相移控制技術來平衡輸出電容電壓。理想條件下，MOSFET Q1和Q2驅動信號的相移為180°。通過采樣輸出電壓和電容輸出的電壓實現相移控制，應使電容輸出的電壓等于輸出電壓的1/2。為了實現這一條件，在DSP中使用了一種可變相移控制。算法流程如圖3所示。

2.2 擾動觀察MPPT算法

采用擾動觀察P&O（perturbation and observation）法時，需要對光伏陣列的輸出電壓和輸出電流進行采樣，以獲得瞬時功率，光伏陣列輸出電壓值在下一個周期中會根據輸出功率的大小進行調整，連續地搜索光伏陣列的MPP。

DSP中控制器的實現能夠避免因增加或遞減的值過大時造成較大的振蕩。此外，處理周期值以便獲得魯棒的控制響應，同時足夠快地響應環境的變化。P&O算法的流程如圖4所示。

圖3 平衡輸出電容電壓的算法流程Fig.3 Algorithm flow chart of balancing output capacitor voltage

圖4 基于DSP的P&O算法流程Fig.4 P&O algorithm flow based on DSP

3 試驗測試過程與分析

具有MPPT的三電平Boost變換器的試驗參數為：輸出功率Po為5000 W；輸入電壓Uin為470～700 V；輸出電壓Uo為750 V；開關頻率為100 kHz；電感為 95 μH；輸出電容（C1，C2）為 950 μF。

試驗中，采用了不同的輸入電壓值 （分別為470，600，700 V），觀察該變換器在寬輸入范圍電壓下的工作情況。三電平Boost變換器的效率曲線如圖5所示。由圖可見，在相應電壓的全負荷試驗中，該變換器的效率較高：在輸入電壓為470 V時，效率最小，為98.05%；700 V時效率最大，為98.81%。

圖5 三電平Boost變換器效率曲線Fig.5 Efficiency curve of three-level boost coverter

基于MatLab/Simulink仿真，對采用的MPPT控制方法進行仿真試驗。在不同的輻照度下，最大功率點Pmpp和MPPT精度見表1。仿真試驗結果如圖6～圖9所示。由圖可見，當光照強度變化時，三電平BOOST變換器與（P&O）算法協調控制的光伏發電系統通過輸出新的電壓和電流，能夠快速地響應環境的變化，精確地跟蹤到新的MPP。

表1 在不同的輻照度下的仿真結果Tab.1 Simulation results under different irradiance

圖6 輻照度為400 W/m2時MPPT曲線Fig.6 MPPT curve with irradiance of 400 W/m2

圖7 輻照度為600 W/m2時MPPT曲線Fig.7 MPPT curve with irradiance of 600 W/m2

圖8 輻照度為800 W/m2時MPPT曲線Fig.8 MPPT curve with irradiance of 800 W/m2

4 結語

文中研究了將三電平Boost變換器應用于光伏發電系統MPPT的方法。與傳統的Boost變換器相比，該變換器應用在高壓場合時具有低壓應力器件要求低、電感體積小和成本降低等優點。結果表明，該變換器在700 V輸入電壓下滿載運行時的效率可達98%，適用于在寬輸入范圍電壓下工作。三電平Boost變換器結合擾動觀察MPPT算法在動態輻照度條件下，光伏發電系統的效率和MPPT精度得到了明顯的提高。

圖9 輻照度為1000 W/m2時MPPT曲線Fig.9 MPPT curve with irradiance of 1000 W/m2