第四章 BOOST变换器实现光伏阵列最大功率跟踪.docx

第 4 章 BOOST 变换器实现光伏阵列最大功率跟踪光伏发电存在的问题是光伏阵列的输出特性受外界环境影响大，电池表面温 度和日照强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化并且，由于目前光伏 阵列的成本高、转换效率低，价格昂贵，初期投入较大并且其输出功率易受日 照强度、环境温度等因素的影响，为了提高光伏发电系统的效率，充分利用光伏 阵列所产生的能量是光伏发电系统的基本要求，在现在的光伏发电系统中，通常 要求光伏阵列的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏阵列的最大 功率点本设计分析了几种常用最大功率点跟踪算法，最终采用扰动观察法控制Boost 电路实现光伏组件最大功率点跟踪，并对其进行了仿真验证4.1 最大功率点跟踪技术将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P,然后判断太阳电池此 时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占 空比D,改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通 过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方 阵的输出能量最大功率点跟踪控制(MPPT)策略实时检测光伏阵列的输出功率，采用一定 的控制算法预测当前工作情况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗 情况来满足最大功率输出的要求。

这样即使光伏电池的结温升高使阵列的输出功 率减少，系统仍可以运行在当前工况下的最佳状态，下面具体说明它的工作原理由于光伏电池具有非线性的输出特点，不易进行数学分析，所以先利用简单 的线性电路来研究最最大功率跟踪的基本原理简单的线性电路原理如图 4-1所 示其负载上的功率为：(4-1)1 V 丫RooOIR + R 丿io图 4-1 简单的线性电路原理图将(4-1)式对R求导，因为V、R都是常数，所以可得:o i i(4-2)dP - R - RdR i(R + R J3o i o从式(4-2)可以看出，当R°=Ri时，Pr°有最大值对于线性电路来说，当负 载电阻等于电源内阻时，电源输出最大功率虽然太阳电池是强非线性的，然而 在极短的时间内，可以认为是线性电路可见，在一定的温度和光照强度下，光 伏阵列能否工作在最大功率点处取决于其所带的负载大小，如果负载电阻的大小 和电池内阻一致，即可实现MPPT光伏电池的工作情况如图3-2所示图4-2 光伏电池工作情况示意图其中曲线是不同光照强度下，电池的电流、电压(I-V)输出特性假设，电池 所带负载为电阻，直线为负载电阻的I-V特性二者的交点即为光伏阵列的工作 点，如点A、B、C。

工作点的电压电流要同时符合光伏电池的I-V特性和负载自 身的I-V特性如果两条线的交点不在最大功率点处，此时负载和光伏阵列就处 于失配的状态，光伏阵列转换的电能就没有被充分的利用上图中，在某一时刻光伏发电系统工作于稳定状态下，负载特性线与光伏电 池特性曲线交于点A,当光照强度发生变化，即光伏电池的输出特性由曲线1下 降到曲线2此时如果负载电阻保持不变，系统的工作点A将沿负载特性线向光 伏电池新的特性曲线2处转移，最终运行在新的稳态点B可是在电池新的输出 特性曲线2上其最大功率点是C点，可见此时的负载和光伏阵列己处于失配的状 态，系统工作点偏离了相应光照强度下的最大功率点只有改变光伏电池所带负 载的大小，让新的负载特性线与电池的输出特性曲线相交于点C，才能实现负载 和电池的再次匹配，令系统工作在最大功率点处因此，只要通过一定的控制策 略让负载电阻始终等于太阳能电池的内阻，就可以实现太阳电池的最大功率输出 也就实现了太阳电池的MPPT在光伏电池的输出端，通常接上一个DC/DC变换电路，作为最大功率跟踪控 制器，如图4-3所示Load图4-3 光伏最大功率跟踪器的基本原理图虽然太阳能电池和DC/DC变换电路均为强非线性特征，但在小的时间间隔 里，两者均可以看为线性电路。

因此，等效把太阳能电池看成直流电源,DC/DC 变换电路看成外部阻性负载这样，光伏方阵所接的等效负载就是DC/DC变换 器占空比 D 和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏方 阵负载的目的，从而实现最大功率跟踪4.2 几种常用 MPPT 算法分析与比较目前，太阳电池的最大功率点跟踪(MPPT)控制技术已发展出各种控制方法， 常用的有恒定电压控制法、扰动观察法、电导增量法等，下面将对这几种主要的 MPPT 控制方法的特点加以分析4.2.1 恒定电压控制法当温度一定时，不同光强下太阳电池最大功率点几乎落在同一根垂直线的两 侧邻近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压为常数的一根垂直线 亦即只要保持太阳电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大 功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳电池输出最大功率，这就是CVT 控制的理论依据1000W - m -2800W -m-2600W -m-2Um电压U(V)图 4-4 恒定电压控制法CVT 方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，但是恒 定电压控制法的控制精度较差，特别是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区，一 旦它的工作环境明显变化时，光伏电池的控制器就不能自动的跟踪到光伏电池的 新的最大功率点，即没有自寻优的能力，造成了能量的极大损耗，必须人工干预 才能良好运行。

采用 CVT 来实现 MPPT 控制，由于其良好的可靠性和稳定性， 目前在光伏系统中仍被较多使用，但随着光伏系统控制技术的计算机及微处理器 化，该方法正在逐步被新方法所替代4.2.2 电导增量法电导增量法是通过光伏阵列输出端的动态电导值与此时的静态电导的负数 相比较，以判断调节光伏阵列输出电压方向的一种最大功率点跟踪方法我们知道，由于太阳能电池 P-V 特性是一单峰值曲线，在最大功率点 Pmaxmax dP处，有—二0的关系功率P可以由电压U与电流I表示，即P二U XIdU将等式的两端对U求导，求得：竺二 I + U 岂 (4 - 3)dU dU当竺二I + U岂二0时，dU dU丄一丄 (4 - 4)dU U上式中，dI为电池板增量过程中的电流前后的差值，dU为电池板增量过程 中的电压前后的差值式(4.4)即为到达太阳电池最大功率点所需满足的条件当岂丰丄时，光伏电池板就没有工作在最大功率点，此时分两种情况： dU U当空〉丄时，U值比最大功率点电压偏小，应该增大扰动量；当岂<--时，dU U dU UU 值比最大功率点电压偏大，应该减小扰动量这种方法的根本思想就是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小 来决定参考电压变化的方向。

4.2.3 扰动观察法扰动观察法又称为爬山法，扰动观察法的实现简单，所需检测的参数少，是 实现MPPT的常用方法该方法的基本思想是：测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一 个小电压分量（或称之为扰动），其输出功率会发生改变，测量出改变后的功率， 比较改变前的即可知道功率变化的方向如果功率增加就继续使用原扰动，若减 小则改变原扰动方向图 4-5 扰动观察法示意图光伏系统控制器在每个控制周期用较小的步长改变光伏阵列的输出，改变的 步长是一定的，方向可以是增加也可以是减小，控制对象可以是光伏阵列输出电 压或电流，这一过程称为“干扰”；然后，通过比较干扰周期前后光伏阵列的输 出功率，若AP > 0，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的方向“干 扰”；若AP < 0，说明参考电压调整的方向错误，需要改变“干扰”的方向当 给定参考电压增大时，若输出功率也增大，则工作点位于图4-5中最大功率点P max 左侧，需继续增大参考电压；若输出功率减小，则工作点位于最大功率点P 右 max 侧，需要减小参考电压当给定参考电压减小时，若输出功率也减小，则工作点 位于P的左侧，需增大参考电压，若输出功率增大，则工作点位子P的右侧， max max 需继续减小参考电压。

这样，光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率 点，最终在其附近的一个较小范围往复达到稳态图 4-6 扰动观察法控制流程图4.3 运用扰动观察法进行仿真研究本设计采用扰动观察法对光伏电池进行最大功率跟踪，运用 MATLAB 进行仿 真，仿真建模如图 4-7设置仿真时间为0.1s，光照为1000W/m2,温度为25°C，根据峰值工作电压、 峰值工作电流和预计升压求的的占空比，可求的负载电阻R为20.7 Q占空比L 扰动步长决定功率变化的步长，如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；如 果步长小，则系统反应慢，但相对精确仿真图中取占空比扰动步长为 0.0001 可以取得较满意的效果图 4-7 扰动观察法仿真模型4.4 DC-DC 变换器实现 MPPT在光伏发电系统中，其功率的输出易受到外界环境的影响，通常在光伏阵列 和负载之间接入DC/DC变换器DC/DC变换电路实际就是光伏电池和负载的一种 负载阻抗匹配器，其主要有两大作用：一是作为系统最大功率点跟踪控制器，通过调节光伏电池所接的等效输入阻抗，使光伏发电系统工作在光伏电池的最大功 率点处；二是对光伏电池的输出电压进行控制在光伏发电系统最大功率点跟踪 控制器中使用的DC/DC变换电路主要有降压型(Buck)变换器、升压型(Boost)变 换器和升-降压型(Buck-Boos t)等。

DC/DC变换器作为一种负载阻抗匹配器，其匹配过程就是系统控制环节输出 的信号调制成应用于变换器的 PWM 波，控制开关管的导通与关断来达到等效输入 阻抗与电池内阻相匹配的过程，即通过控制占空比来实现最大功率跟踪4.4.1 Boost变换器实现MPPT阻抗匹配问题+V_0图中所示，上图为线性电路图，V为电源电压，R为电源内阻，R是负载 i i 0电阻，负载电阻R消耗的功率为：（4 - 5）（4 — 6）0 x RR + R 丿 0i0P = I 2 R0对 R 求导，得0dP R — R=U 2 x i 0dR \R + R 丿0 i 0dP令 =0，即R =R，功率P取得最大值dR i 00对于一个线性电路，当负载电阻R和电源内阻R相等时，电源输出功率P最 0i大虽然太阳能电池和Boost电路都是非线性的，但是在其工作点附近很小的范 围内，可以将它们看作是线性电路因此，只要调节Boost电路等效输入阻抗R， 使它始终等于太阳能电池的内阻R，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输 s出，也就是实现了太阳能电池的最大功率跟踪Boost 变换器所接负载阻抗是否为任意值时，都能够通过阻抗变换实现光伏 电池阵列最大功率输出呢？由式R = G-D》-R可知，G-D》是小于1的数，由此表明Boost变换器只L 能够实现将较大的负载阻抗变换成较小的等效输入阻抗。

如下图所示， R 为Boost电路等效输入阻抗，R为Boost变换器的较大（R > R ）负载阻抗，RL1 L1 L 2为Boost变换器的较小（R < R）负载阻抗Boost变换器可以通过调节占空L2比D将负载线R向a的方向进行变换达到等效输入阻抗R，而不能通过调节占 L1空比D将负载线R向b的方向进行变换达到等效输入阻抗R总之当负载阻值 L2大于光伏阵列的匹配阻抗时，可以通过Boost电路变换为匹配阻抗，反之则不可 能实现图 4-10 Boost 变换器实现 MPPT 阻抗匹配示意图4.4.2 Boost 。