5kW光伏最大功率點跟蹤電路的設(shè)計

摘要：采用TMS320F28035 DSP控制系統(tǒng)實現(xiàn)最大功率點追蹤，對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行了分析。采用升壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)最大功率點，該方法電路簡單，控制方法靈活。 敘詞：DC-DC轉(zhuǎn)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(lián)網(wǎng)光伏系統(tǒng)投資少、見效快、節(jié)能環(huán)保，非常適合于建筑多、 陽光充足的地方發(fā)展。為了提高太陽能利用率，光伏發(fā)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(wǎng)發(fā)電中一項重要的關(guān)鍵技術(shù)，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(jù)太陽能電池的特性,實現(xiàn)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(jīng)濟方面的考慮,在小規(guī)模的系統(tǒng)中經(jīng)常使用最大功率點跟蹤的方法。

2 太陽能最大功率點跟蹤電路及其參數(shù)確定
本文采用兩級式無變壓器光伏并網(wǎng)拓撲方式，前級DC-DC環(huán)節(jié)實現(xiàn)MPPT，后級H橋環(huán)節(jié)實現(xiàn)并網(wǎng)。前級DC-DC升壓環(huán)節(jié)可以采用多種形式的拓撲結(jié)構(gòu)，同時可以通過調(diào)節(jié)DC-DC變換器的占空比來實現(xiàn)最大功率跟蹤。從變換器的效率角度來看，各種拓撲結(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，而效率對光伏系統(tǒng)的應用非常重要。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電壓可以低于交流側(cè)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(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(tǒng)前級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)見圖1。

圖1 BOOST電路拓撲

2.1 BOOST電感的設(shè)計

本文所采用BOOST電路工作在連續(xù)導電模式，穩(wěn)態(tài)時根據(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——開關(guān)管的導通時間。

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

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(lián)，然后和同樣的一組電容并聯(lián)。

2.3 開關(guān)管的設(shè)計

由于MOSFET在低壓、高頻中的使用優(yōu)勢，因此選用MOS管作為Boost電路的開關(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

升壓斬波電路中的二極管應具有較低的通態(tài)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(shù)為：耐壓600V，電流為40A。

3 MPPT的控制實現(xiàn)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(jié)合項目實際情況，本文應用功率擾動法實現(xiàn)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(xù)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(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，測量參數(shù)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(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 仿真實驗

根據(jù)上述所設(shè)計參數(shù)及控制方法搭建了5kW的仿真平臺，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(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計算、PI計算、PWM生成及驅(qū)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(shè)計方案可以很好的實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

5 結(jié)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(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)計以功率擾動法為依據(jù)，采用自尋優(yōu)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(tǒng)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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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(guān)電源，逆變電源，光伏并網(wǎng)逆變器?！?/p>