光伏发电最大功率点跟踪控制Boost变换器研究

张维谊，张晓斌

（西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710072）

0 引言

随着太阳能发电技术的发展和不断完善，光伏并网发电技术已得到大规模应用，但同时也存在一些问题。成本高、光伏电池转换效率低等问题成为了限制光伏发电普及的瓶颈［1］。通过光伏电池的最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制，使太阳能光伏电池获得最大输出功率，充分利用太阳能光伏阵列的能量，对提高光伏电池的转换效率，降低光伏发电成本，具有重要意义。

由于光伏阵列体积较大，在实验室条件下进行其最大功率点跟踪实验难度较大，所以设计了适用于100W小容量光伏阵列的Boost变换器，用于最大功率点算法研究。

1 最大功率点跟踪控制原理与方法

光伏电池的I－U特性与太阳辐射强度S和光伏电池温度T 有极大关系，即I＝f（U，S，T）。光伏电池在不同S、相同T，不同T、相同S2种条件下的I－U和P－U特性曲线如图1所示。

图1 光伏电池的I－U和P－U特性曲线

由此可见，当输出电压比较小时，太阳能电池的输出电流随电压变化很小，太阳能电池类似于一个恒流源；当电压超过一定的阈值继续上升时，电流迅速下降，此时的太阳能电池与恒压源类似。在一定的日照强度和环境温度下，太阳能电池的输出功率，即输出电压与输出电流的乘积存在着一个最大点。实际使用中，最大功率点随温度和辐射强度实时变化，不能保证负载总是工作在最大功率点上［2］。因此，需要在光伏电池阵列和负载之间加入MPPT装置，以保证光伏电池始终工作在最大功率点上。

由于光伏阵列的电压－功率特性是非线性的，简单的线性控制方法无法获得最大功率。常用的MPPT控制方法主要有恒定电压控制法CVT、扰动观测法PAO和导纳微增法IC等［3］，如表1所示。

表1 MPPT控制方法的优缺点比较

由表1可知，采用恒定电压控制法控制时，负载系统（如蓄电池充电系统）的启动过程具有最优的特性，仅需要判断光伏发电系统的实际输出电压与设定电压指令值之间的大小关系，单方向调节控制器输出，功率输出单向增加，无振荡。而由于导纳微增法控制算法过于复杂，故而选用扰动观测法做后续控制。综合运用恒定电压控制法和扰动观测法，得出光伏系统改进MPPT控制算法。

2 基于Boost电路的光伏MPPT装置设计

光伏MPPT系统可以基于多种直流斩波变换器，常用的有Boost变换器和Buck变换器。一般情况下，基于Boost变换器的MPPT系统比基于Buck变换器的MPPT系统具有更高的效率［4］。

设计小型Boost光伏系统参数为:输入电压10～30V，输出电压48V，纹波＜1%，输出功率100 W，开关频率40kHz。

系统拓扑如图2所示。以Boost电路为主电路，利用PWM脉宽调制控制器SG3525产生PWM波，对系统进行实时调节，控制主电路中开关管的开通和关断，以此进行占空比调节，得到所需输出电压。由于功率MOSFET工作频率高，且系统功率较小，所以开关管选用MOSFET。

图2 光伏MPPT系统拓扑

在输出端采用分压电阻得到采样信号，经过MPPT算法找出最大功率点，给出控制信号。利用SG3525内置的误差放大器实现PI调节，构成内部的参考信号，从而产生占空比变化的PWM波，以此保证系统在输入电压变化和负载电阻波动时，保持其输出电压的稳定。

由前文给出的控制策略，可以得到光伏发电系统MPPT控制的程序流程如图3所示。系统运行起始段采用恒定电压控制法进行控制，当电压接近经验值时，采用扰动观测法。

图3 光伏系统MPPT控制程序流程

系统中的MPPT控制器是Microchip公司生产的28管脚8位单片机PICl6F873，通过C语言进行编程，并测得相关参数进行分析计算。

在光伏发电系统中，首先根据经验值电压，采用恒定电压控制法启动，然后采用扰动观测法，取得最大功率点。由于温度不可能突变，因此，在一定时间内，光伏发电系统的最大功率点电压基本保持不变。继而采用恒定电压控制法，将系统的输出电压控制在测得的最大功率点电压附近。循环上述步骤，实现光伏发电系统最大功率输出控制。

3 仿真与实验结果

3.1 仿真分析

在Saber中建立系统如图4所示，并进行了仿真分析。

图4 系统Saber仿真电路

由仿真结果可知，系统调节后趋于稳定，稳定电压在48V，上下振荡在0.5V以内，符合技术指标要求。

3.2 实验结果

经计算，设计最小占空比Dmin＝0.375，最大占空比Dmax＝0.792，由式（1）和式（2）给出。实验参数为:电感值L＝43μH，电容值C＝82μF，由式（3）和式（4）给出［5］。器件选型的参数为:MOS管平均电流Is＝3.34A，MOS管峰值电流I＝6.61A，由式（5）和式（6）给出。

Vo为输出电压；Vs为输入电压。

如图2所示，从属的输出一侧应该永远不使电感电流降至零。如果允许电流降到零，则滤波器的输入电压与输出电压之间将没有电位差［6］。开路电感为Lc，则电感值L为:

Io为输出电流；Ts为开关管开关周期；ΔVo为输出纹波电压；D为占空比；R为负载电阻。

开关频率越高，电感器的感值就可以取得越小，即体积越小，但开关频率过高会加重开关管的负担。因此，开关频率设定在40kHz。

根据系统要求，输出功率为100W，输出电压为48V。一般参数的选取最大承受电流和电压为额定的1.2～2倍。因为开关频率较高，考虑到散热等因素，选取1.5～2倍的平均值作为标准。即MOSFET可承受电流为10～15A、电压为72～100V。二极管的参数选取参考 MOSFET，取电流10～15 A、电压72～100V。

按照系统要求，开关工作频率为40kHz。由于SG3525振荡器的频率是输出频率的2倍，所以振荡器的工作频率为80kHz。SG3525的数据手册中要求振荡器定时电容CT的范围是0.001～0.2μF；振荡器定时电阻RT的范围是2～150kΩ；死区时间电阻RD的范围是0～500Ω。

根据公式:

最终选取CT为0.01μF，RT为3.3kΩ，RD为210Ω。

调试时，设定系统稳定工作时采样值为2.5V。因此，先将误差放大器的同相端调至2.5V，利用放大器让反相端的电压趋近于同相端，以达到稳定输出的目的。此时采样电阻分别选取10kΩ和5kΩ的电位器，可灵活、方便和准确地调整采样的数值，从而调整输出。加入80μH的滤波电感，可减小峰峰值，使其在0.5V以内。MOS管驱动电压波形和系统输出电压波形如图5所示，图5a为加入电感之前的系统输出波形，纹波较大；图5b为加入电感后的系统输出波形。

图5 系统输出电压波形

实验证明，输入电压在10～30V内输出都可以稳定在47.9～48.1V之间，纹波不大于0.5V，完全符合系统要求。

另外，系统采用具有锁存功能的电压比较电路作为保护电路，实现过流保护、短路保护和过压保护。

4 结束语

通过对Boost变换原理以及MPPT控制方法的分析，设计了基于Boost变换器和一种改进MPPT控制方法的光伏系统DC／DC变换模块，在Saber中对所设计的电路进行原理性、稳定性仿真分析，并通过仿真对比实际实验，确定PI调节的相关参数。软件编程实现改进MPPT算法，实际电路调试获得了预期的效果。

［1］Koutroulis E，Kalaitzkis K，Voulgaris N C.Development of a microcontroller－based，photovoltaic maximum power point tracking control system［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2001，16（1）:46－54.

［2］Patcharaprakiti N，Premrudeepreechacharn S.Maximum power point tracking using adaptive fuzzy logic control for grid－connected photovoltaic system［J］.Renew－able Energy，2005，30（11）:1771－1788.

［3］Ho M T，Chung H S－H，Hui S Y.A novel maximum power point tracker for PV panels using switching frequency modulation［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17（6）:980－989.

［4］Glasner I Appelbaum Joseph.Advantage of boost vs buck topology for maximum power point tracker in photovoltaic systems［C］.Nineteenth Convention Electrical and Electronics Engineers，1996.335－358.

［5］Siwakoti Y P，Chhetri B B，AdHikary B.Microcontroller based intelligent DC／DC converter to track maximum power point for solar photovoltaic module［C］.2010IEEE CITRES，2010.94－101.

［6］Mclyman Wm T.Transformer and inductor design handbook［M］.Boca Raton:CRC Press，2004.