5kW光伏最大功率點(diǎn)跟蹤電路的設(shè)計(jì)

摘要：采用TMS320F28035 DSP控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，對(duì)最大功率追蹤控制中DC-DC轉(zhuǎn)換電路的控制方法和原理進(jìn)行了分析。采用升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)，該方法電路簡(jiǎn)單，控制方法靈活。 敘詞：DC-DC轉(zhuǎn)換電路 最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT） 仿真 Abstract：This paper describes the method of maximum power point tracker with DSP TMS320F28035 controlling in photovoltaic system, especially introduces the techniques and principle of DC-DC conversion. Maximum power point tracker is implemented with a DC-DC conversion topology. The system is simple with good response speed. Keyword：DC-DC conversion, Maximumpower point tracking(MPPT), Simulate

1  引 言

住宅聯(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)投資少、見(jiàn)效快、節(jié)能環(huán)保，非常適合于建筑多、 陽(yáng)光充足的地方發(fā)展。為了提高太陽(yáng)能利用率，光伏發(fā)電的運(yùn)行普遍采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）。最大功率點(diǎn)跟蹤是太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電中一項(xiàng)重要的關(guān)鍵技術(shù)，它是指為充分利用太陽(yáng)能,控制改變太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓或電流的方法，使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)上。根據(jù)太陽(yáng)能電池的特性,實(shí)現(xiàn)的跟蹤方法主要有以下三種:太陽(yáng)跟蹤、最大功率點(diǎn)跟蹤或兩種方法綜合使用。出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮,在小規(guī)模的系統(tǒng)中經(jīng)常使用最大功率點(diǎn)跟蹤的方法。

2  太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)跟蹤電路及其參數(shù)確定
本文采用兩級(jí)式無(wú)變壓器光伏并網(wǎng)拓?fù)浞绞?，前?jí)DC-DC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)MPPT，后級(jí)H橋環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。前級(jí)DC-DC升壓環(huán)節(jié)可以采用多種形式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)可以通過(guò)調(diào)節(jié)DC-DC變換器的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。從變換器的效率角度來(lái)看，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，BUCK和BOOST電路效率是最高的，BUCK-BOOST電路次之，半橋與全橋再次之，而效率對(duì)光伏系統(tǒng)的應(yīng)用非常重要。BOOST電路也是用在并網(wǎng)系統(tǒng)中最大功率跟蹤的理想選擇。首先，它使直流側(cè)的電壓配置更加靈活，BOOST電路為升壓變換器，這樣光伏陣列的最大功率點(diǎn)電壓可以低于交流側(cè)的峰值電壓，通過(guò)BOOST電路的升壓后再進(jìn)行逆變；其次，BOOST電路本身具有較高的效率，其中的二極管可以用作自然的防止電網(wǎng)側(cè)的能量加于光伏陣列；再次，能量的解耦在BOOST電路的輸出端，這樣BOOST電路的輸入端，也就是光伏陣列的輸出，可以通過(guò)控制手段使其波動(dòng)很小，使得最大功率跟蹤的精度提高。所以，本系統(tǒng)前級(jí)DC-DC環(huán)節(jié)采用BOOST升壓的電路結(jié)構(gòu)。本文所采取的BOOST電路結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 BOOST電路拓?fù)?/p>

2.1 BOOST電感的設(shè)計(jì)  

本文所采用BOOST電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，穩(wěn)態(tài)時(shí)根據(jù)電感伏秒積平衡原理可得

式中：

    Vpv——光伏陣列輸出電壓；

    Vdc——BOOST輸出電路； 

    DTS——開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。  

整理后可得: 

本系統(tǒng)中光電池輸入電壓范圍為Vpv=200V~550V，電流紋波取ηi≤25%，輸入功率Ppv =5500W，輸出母線電壓Vdc =350V，開(kāi)關(guān)管頻率為16kHz。根據(jù)式（6）可得Lmax=825µH，本文取Lmax=900µH。

2.2 母線電容設(shè)計(jì)

    式中：

    △Vdc——電容電壓紋波；

    Cdc——母線電容值。

實(shí)際電路中，母線電容除了輸出濾波外，還具有儲(chǔ)能的作用，且H橋逆變器也不能完全看作是純阻性負(fù)載，所以中間電容取20倍的較大裕量，用2500µF的電容。電路中采用5個(gè)300V，1000µF的電容串聯(lián)，然后和同樣的一組電容并聯(lián)。

2.3 開(kāi)關(guān)管的設(shè)計(jì)

由于MOSFET在低壓、高頻中的使用優(yōu)勢(shì)，因此選用MOS管作為Boost電路的開(kāi)關(guān)管。在電路中MOS管承受的最大電壓為600V，電流為28A，因此選用1個(gè)Infineon的SPW47N60C3 MOS管。SPW47N60C3的主要參數(shù)為：耐壓650V，額定電流47A。

2.4 二極管的設(shè)計(jì)

升壓斬波電路中的二極管應(yīng)具有較低的通態(tài)壓降和快速反向恢復(fù)特性，在電路中承受最大600V的電壓和最大 28A的電流，因此選用二極管的主要參數(shù)為：耐壓600V，電流為40A。

3  MPPT的控制實(shí)現(xiàn)方法

目前比較常用的MPPT控制方法主要有功率擾動(dòng)法、電導(dǎo)增量法，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，本文應(yīng)用功率擾動(dòng)法實(shí)現(xiàn)MPPT。擾動(dòng)觀察法的原理是，先給一個(gè)擾動(dòng)輸出電壓信號(hào)(VPV+△V),再測(cè)量其功率變化，與擾動(dòng)之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可繼續(xù)向相同的(△V)方向擾動(dòng)；若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前，則向相反的(△V)方向擾動(dòng)。此法的最大優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量參數(shù)少，通過(guò)不斷擾動(dòng)使陣列輸出功率趨于最大?？刂屏鞒虉D如圖2所示

圖2 MPPT流程圖

整個(gè)BOOST電路所實(shí)現(xiàn)MPPT功能的系統(tǒng)控制框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制框圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)參數(shù)及控制方法搭建了5kW的仿真平臺(tái)，如圖4所示。

圖4系統(tǒng)仿真圖

圖中PV為光電池模型，T為太陽(yáng)能電池板工作溫度，S為太陽(yáng)光照強(qiáng)度，VP為光電池工作電壓，MPPT為系統(tǒng)控制核心模塊。完成了圖3的系統(tǒng)控制框圖中Dclink前面的所有部分；包括MPPT計(jì)算、PI計(jì)算、PWM生成及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的生成。

4.1 光照強(qiáng)度變化時(shí)仿真分析

初始電池溫度T為25°時(shí)，太陽(yáng)光照強(qiáng)度S為800W/m2，0.1S時(shí)光照強(qiáng)度上升到1000 W/m2，0.15S時(shí)上升到1200W/m2，0.2S時(shí)下降到800 W/m2，0.25S時(shí)上升到1000W/m2。溫度保持不變時(shí)，最大功率跟蹤如圖5所示，圖中藍(lán)色為最大功率、綠色為跟蹤功率。從圖中可見(jiàn)，隨著光照強(qiáng)度的變化，最大功率點(diǎn)隨著變化。

圖5光照強(qiáng)度變化時(shí)最大功率追蹤圖

4.2 電池溫度變化時(shí)仿真分析

初始光照強(qiáng)度保持1000W/m2時(shí)，光電池溫度為25°，0.15S時(shí)光電池溫度上升到光電池溫度從35°，0.2S時(shí)光電池溫度上升到45°時(shí)，光照強(qiáng)度保持不變，最大功率跟蹤如圖6所示，圖中藍(lán)色為最大功率、綠色為跟蹤功率。從圖中可見(jiàn)，隨著溫度的變化，最大功率點(diǎn)隨著變化。

圖6溫度變化時(shí)最大功率追蹤圖

由圖5及圖6可見(jiàn)，在溫度及光照的擾動(dòng)下，光電池的最大輸出功率點(diǎn)在變動(dòng)，通過(guò)本文所設(shè)計(jì)方案可以很好的實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

5 結(jié)論

本文以5kW/220V太陽(yáng)能MPPT控制為例，介紹了最大功率跟蹤的控制電路和系統(tǒng)框圖，闡明了DC-DC升壓斬波電路各元件的參數(shù)確定方法。MPPT的設(shè)計(jì)以功率擾動(dòng)法為依據(jù)，采用自尋優(yōu)算搜索算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，通過(guò)MATLAB軟件對(duì)太陽(yáng)能MPPT控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方案的合理性和可行性。

參考文獻(xiàn)

[1]　李晶,竇偉,徐正國(guó),等.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤算法研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2007(3).

[2]　張凌.單相光伏并網(wǎng)逆變器的研制.北京交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[3]　林飛,杜欣主編.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009:1

作者簡(jiǎn)介

管曉磊（1984-），男，漢族，黑龍江人，助理工程師，本科，研究方向：電力高頻開(kāi)關(guān)電源，逆變電源，光伏并網(wǎng)逆變器?！?/p>