5kW光伏最大功率點跟蹤電路的設計

摘要：采用TMS320F28035 DSP控制系統實現最大功率點追蹤，對最大功率追蹤控制中DC-DC轉換電路的控制方法和原理進行了分析。采用升壓式DC-DC轉換電路來實現最大功率點，該方法電路簡單，控制方法靈活。 敘詞：DC-DC轉換電路 最大功率點追蹤（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

住宅聯網光伏系統投資少、見效快、節能環保，非常適合于建筑多、 陽光充足的地方發展。為了提高太陽能利用率，光伏發電的運行普遍采用最大功率點跟蹤控制（MPPT）。最大功率點跟蹤是太陽能并網發電中一項重要的關鍵技術，它是指為充分利用太陽能,控制改變太陽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上。根據太陽能電池的特性,實現的跟蹤方法主要有以下三種:太陽跟蹤、最大功率點跟蹤或兩種方法綜合使用。出于經濟方面的考慮,在小規模的系統中經常使用最大功率點跟蹤的方法。

2 太陽能最大功率點跟蹤電路及其參數確定
本文采用兩級式無變壓器光伏并網拓撲方式，前級DC-DC環節實現MPPT，后級H橋環節實現并網。前級DC-DC升壓環節可以采用多種形式的拓撲結構，同時可以通過調節DC-DC變換器的占空比來實現最大功率跟蹤。從變換器的效率角度來看，各種拓撲結構中，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，而效率對光伏系統的應用非常重要。BOOST電路也是用在并網系統中最大功率跟蹤的理想選擇。首先，它使直流側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電壓可以低于交流側的峰值電壓，通過BOOST電路的升壓后再進行逆變；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側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，可以通過控制手段使其波動很小，使得最大功率跟蹤的精度提高。所以，本系統前級DC-DC環節采用BOOST升壓的電路結構。本文所采取的BOOST電路結構見圖1。

圖1 BOOST電路拓撲

2.1 BOOST電感的設計

本文所采用BOOST電路工作在連續導電模式，穩態時根據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——開關管的導通時間。

整理后可得:

本系統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，開關管頻率為16kHz。根據式（6）可得Lmax=825µH，本文取Lmax=900µH。

2.2 母線電容設計

式中：

△Vdc——電容電壓紋波；

Cdc——母線電容值。

實際電路中，母線電容除了輸出濾波外，還具有儲能的作用，且H橋逆變器也不能完全看作是純阻性負載，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300V，1000µF的電容串聯，然后和同樣的一組電容并聯。

2.3 開關管的設計

由于MOSFET在低壓、高頻中的使用優勢，因此選用MOS管作為Boost電路的開關管。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Infineon的SPW47N60C3 MOS管。SPW47N60C3的主要參數為：耐壓650V，額定電流47A。

2.4 二極管的設計

升壓斬波電路中的二極管應具有較低的通態壓降和快速反向恢復特性，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為：耐壓600V，電流為40A。

3 MPPT的控制實現方法

目前比較常用的MPPT控制方法主要有功率擾動法、電導增量法，結合項目實際情況，本文應用功率擾動法實現MPPT。擾動觀察法的原理是，先給一個擾動輸出電壓信號(VPV+△V),再測量其功率變化，與擾動之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動方向正確，可繼續向相同的(△V)方向擾動；若擾動后的功率值小于擾動前，則向相反的(△V)方向擾動。此法的最大優點在于結構簡單，測量參數少，通過不斷擾動使陣列輸出功率趨于最大。控制流程圖如圖2所示

圖2 MPPT流程圖

整個BOOST電路所實現MPPT功能的系統控制框圖如圖3所示。

圖3 系統控制框圖

4 仿真實驗

根據上述所設計參數及控制方法搭建了5kW的仿真平臺，如圖4所示。

圖4系統仿真圖

圖中PV為光電池模型，T為太陽能電池板工作溫度，S為太陽光照強度，VP為光電池工作電壓，MPPT為系統控制核心模塊。完成了圖3的系統控制框圖中Dclink前面的所有部分；包括MPPT計算、PI計算、PWM生成及驅動信號的生成。

4.1 光照強度變化時仿真分析

初始電池溫度T為25°時，太陽光照強度S為800W/m2，0.1S時光照強度上升到1000 W/m2，0.15S時上升到1200W/m2，0.2S時下降到800 W/m2，0.25S時上升到1000W/m2。溫度保持不變時，最大功率跟蹤如圖5所示，圖中藍色為最大功率、綠色為跟蹤功率。從圖中可見，隨著光照強度的變化，最大功率點隨著變化。

圖5光照強度變化時最大功率追蹤圖

4.2 電池溫度變化時仿真分析

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

圖6溫度變化時最大功率追蹤圖

由圖5及圖6可見，在溫度及光照的擾動下，光電池的最大輸出功率點在變動，通過本文所設計方案可以很好的實現最大功率點的跟蹤。

5 結論

本文以5kW/220V太陽能MPPT控制為例，介紹了最大功率跟蹤的控制電路和系統框圖，闡明了DC-DC升壓斬波電路各元件的參數確定方法。MPPT的設計以功率擾動法為依據，采用自尋優算搜索算法進行最大功率點跟蹤，通過MATLAB軟件對太陽能MPPT控制系統進行仿真，驗證了方案的合理性和可行性。

參考文獻

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[2]　張凌.單相光伏并網逆變器的研制.北京交通大學碩士學位論文,2007.

[3]　林飛,杜欣主編.電力電子應用技術的MATLAB仿真[M].北京:中國電力出版社,2009:1

作者簡介

管曉磊（1984-），男，漢族，黑龍江人，助理工程師，本科，研究方向：電力高頻開關電源，逆變電源，光伏并網逆變器。■