基于LLC谐振变换器的电导增量法MPPT直接控制策略

石俊，陈丁

（九江学院电子工程学院，江西九江332005）

基于LLC谐振变换器的电导增量法MPPT直接控制策略

石俊，陈丁

（九江学院电子工程学院，江西九江332005）

提出了一种基于LLC谐振变换器的电导增量法最大功率点跟踪（MPPT）直接控制策略的实现方案。通过采用LLC谐振变换器实现电气隔离，同时获得较高的功率变换效率；另一方面，通过采用直接控制策略省略了传统的双环控制中PI调节器。该直接控制策略的基本思想是：在每个采样周期中直接计算得到LLC谐振变换器的所需开关频率并在下一个采样周期中实时更新以实现MPPT。最后通过1台650 W的样机试验验证了所提出方案的有效性。

MPPT；电导增量法；LLC谐振变换器；直接控制

1 引言

光伏发电系统的效率取决于功率变换电路实时跟踪光伏电池最大功率运行点（MPPT）的能力。电导增量法是一种得到广泛研究和应用的一种MPPT方法［1-6］。传统的电导增量法MPPT控制策略实现方案一般采用Boost变换器［3-4］。Boost变换器是非隔离型拓扑，而且大电流工作时功率变换效率低；另一方面，由于光伏发电系统具有较强的非线性，因此PI调节器的设计难度大。

为了克服传统的电导增量法MPPT控制策略实现方案的上述缺点，本文提出了基于LLC谐振变换器的电导增量法MPPT直接控制策略的实现方案。DC/DC变换器选用LLC谐振变换器［7-8］，该拓扑无需辅助电路就能实现原边开关管和副边整流二极管的软开关，功率变换效率高。同时该拓扑是隔离型结构，这就很好地解决了采用Boost变换器的不足。另一方面，本文提出了直接控制策略，省略了传统的双环控制中PI调节器。该直接控制策略通过直接调整开关频率实现MPPT。本文最后通过1台650 W的样机试验验证了所提出方案的有效性。

2 电导增量法原理及其直接控制策略

单个光伏电池模块所能提供的能量比较低，因此可以通过模块的串并联形成光伏电池组获得期望的功率输出。光伏电池模块可以等效为电压控制电流源，其输出能力主要取决于环境温度和光照强度。光伏电池组的数学模型如下式所示［3-4］：

式中：Io为光伏电池组的输出电流；Vo为光伏电池组的输出电压；Iph为光伏电池模块的单体输出电流；Irs为模块反向饱和电流，其数值大小主要取决于环境温度；Ko为1个系数；np，ns分别为并联和串联的光伏电池模块数量。

Iph可以表示为

式中：Iscr为在参考温度和光照下的模块短路电流；Ki为短路电流温度系数；Tamb为环境温度；Tr为模块参考温度；S为光照强度，mW/cm2。

本文中选用KC130TM模块进行试验研究，其I—V特性如图1所示，图1中以1 000 W/m2光照下的I—V特性曲线标示了电气特性中的几个关键参数：短路电流Isc、开路电压Voc以及最大功率点（maximum power point，MPP）。最大功率点下对应的光伏电池模块输出电压和电流分别为Vmpp和Impp，该运行点与环境温度和光照强度密切相关［5］。

图1 KC130TM模块的I—V特性Fig.1I—V characterisitics of KC130TM module

在图1中，MPP运行点位于I—V特性曲线的转折点。电导增量法就是基于这个事实，在MPP运行点光伏电池模块的输出功率对输出电压的微分恰好是零。

MPP运行点下，满足：

化简式（3），可以得到电导增量法的原理：

实际控制中，要控制式（4）的左边达到完全为零比较困难，因此实际控制时是将式（4）的左边控制在一定的允许误差内［5］。允许误差e的大小决定了MPPT控制的灵敏度，其数值大小需要在控制精度和系统振荡之间做折中选择。因此修正后的电导增量法MPPT的原理可以表示为

本文中，经过一系列的试验和修正，允许误差e的大小最终选定为0.002。电导增量法MPPT直接控制策略的实现流程图如图2所示。基于该直接控制策略，每个采样周期内直接计算所需的开关频率fsw，而该开关频率会用在下一个采样周期内。

图2 直接控制策略的流程图Fig.2Flowchart of direct control strategy

3 直接控制策略实现方案

在选择MPPT控制用DC/DC变换器时，需要重点考虑效率特性。本文所采用的LLC谐振变换器是目前得到广泛使用的软开关DC/DC变换器，其突出优势主要表现为宽输入电压范围适应性和高效率功率变换。

3.1 DC/DC变换器主电路

主电路拓扑结构如图3所示，图3中Vo和Io为光伏电池组输出电压和电流，Vdc为直流母线电压。Lm为励磁电感，Lr为谐振电感，Cr为谐振电容。

图3 DC/DC变换器主电路Fig.3Main circuit of DC/DC converter

在分析与设计LLC谐振变换器时，广泛采用基波等效分析法［7］（fudamental harmonic approximation，FHA）。该方法只考虑基波分量的影响，因此适用于开关频率在fr（Lr与Cr的谐振频率）附近的工作区域。

变换器增益M可以表示为

式中：h为电感比，h=Lm/Lr；n为变压器原副边匝比；Q为品质因数；Rdc为直流母线的等效负载。

LLC谐振变换器在不同品质因数下的增益曲线如图4所示，图4中h取为4，变压器变比n取为1。当开关频率fsw高于fr时，功率变换效率最高。

图4 变换器增益特性曲线Fig.4Gain curves of the converter

当光照强度或环境温度变化导致MPP运行点发生变化时，变换器的品质因数也随之改变，因此需要移动工作点以实现MPPT同时保证输出电压稳定。采用图2的算法，变换器能自动计算出所需开关频率，并经过几个采样周期后达到稳态，变换器能够实现MPPT，同时输出电压不会出现较大波动，这一点将在本文的实验中得到验证。

本文所搭建的样机选用5个KC130TM模块串联而成，最大功率输出为650 W，工作电压范围为60～100 V。光伏电池组的额定输出电压选择为85 V，对应的直流母线电压为400 V。主电路中所设计的关键参数和选用的主要元器件如下：输入电容Co为440 μF/250 V；母线电容Cdc为940 μF/450 V；开关管Q1，Q2为IPP110N20N3；整流二极管D1～D4为MUR860；谐振频率fr＝196 kHz；谐振电感Lr＝11.6 μH；谐振电容Cr＝57 μF；励磁电感Lm＝48.4 μH；开关频率范围100～300 kHz；变压器PQ35/35骨架，PC40磁芯，原边10匝，副边47匝；电压传感器LV25-P；电流传感器HAS50-S。

3.2 DC/DC变换器控制及驱动电路

控制及驱动电路如图5所示。控制电路主要是TMS320F28335及其外围电路，和电压及电流传感器的调理电路。图5a为电流传感器调理电路原理图；图5b为电压传感器调理电路原理图；驱动电路主要是IR2110及其外围电路；图5c为驱动电路原理图。

图5 DC/DC变换器控制及驱动电路Fig.5Control and drive circuit of DC/DC converter

4 实验与分析

为了验证本文所提控制方案的可行性，搭建了一套650 W的单相光伏并网系统。通过多次试验，LLC谐振变换器的采样时间最终选择为0.2 s，在该采样周期下，变换器具备良好的稳态性能和动态跟踪能力。

图6为不同光照强度下的稳态和动态实验波形，图6中通道CH1，CH2和CH3分别测量光伏电池组输出电流Io、输出电压Vo和输出功率Po，CH4测量高压直流母线电压Vdc（AC耦合）。图6中波形可以分为3段：Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段。当工作在Ⅰ段时，光伏电池组输出功率为640 W，功率波动值为44 W，系统能稳定工作在MPP。当光照强度突然减小时，实验波形从Ⅰ段切换到Ⅱ段，切换时间大约为3个采样周期，切换后，光伏电池组的输出功率为300 W，功率波动值为25 W，光伏电池组也能稳定工作在MPP。接下来快速地恢复之前的光照强度，实验波形从Ⅱ段切换到Ⅲ段，切换时间大致为3个采样周期，切换后光伏电池组输出功率为640 W，功率波动值为44 W。

图6 实验波形Fig.6Experimental waveforms

从实验结果来看，该发电系统具有良好的稳定性。同时当光照强度突变时，该系统具有良好的MPPT动态响应能力。表1是传统的双环控制型电导增量法与本文提出的直接控制型电导增量法在光伏电池组不同功率输出情况下的性能对比。从表1可以看出，本文所提出的电导增量法直接控制策略的稳态和动态性能要明显优于传统的双环控制电导增量法。而在功率变换效率方面，通过采用合适的优化策略，LLC谐振变换器可以获得较高的功率变换效率（本文样机满载实测效率96.5%），而且本文方案还实现了高频隔离，减小了传统隔离方案中的变压器尺寸与成本。

表1 不同方法性能对比Tab.1Comparison of different method

5 结论

本文提出了一种基于LLC谐振变换器实现电导增量法MPPT的直接控制策略。LLC谐振变换器的使用实现了高效率功率变换，同时也实现了高频隔离，这是传统的Boost变换器或其它隔离型DC/DC变换器所无法同时满足的。此外，本文所提出的电导增量法MPPT直接控制策略在稳态和动态性能上也要明显优于传统的电导增量法MPPT双环控制策略。

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Direct Control Strategy of Incremental Conductance MPPT Based on LLC Resonant Converter

SHI Jun，CHEN Ding
（Department of Electronic Engineering，Jiujiang University，Jiujiang 332005，Jiangxi，China）

A direct control strategy of incremental conductance maximum power point tracking based on LLC resonant converter was proposed.Electrical isolation is achieved by using LLC resonant converter，meanwhile power conversion efficiency is ensured.On the other hand，by using the direct control strategy，the traditional PI regulator is omitted.The basic idea of the direct control strategy is that the desired switching frequency of LLC resonant converter is calculated at each sampling period and updated in the next period in order to achieve MPPT.Finally，the effectiveness of the proposed strategy is verified through a 650 W prototype test.

maxinum power point tracking（MPPT）；incremental conductance；LLC resonant converter；direct control

TM46

：A

2014-04-18

修改稿日期：2014-10-28

江西省科技厅青年基金科技项目（20132BAB211038）

石俊（1970-），男，硕士，讲师，Email：shijun70@163.com