基于光伏升压与最大功率跟踪设计

马雄仓，熊 威



基于光伏升压与最大功率跟踪设计

马雄仓，熊 威

（武汉船用电力推进装置研究所, 武汉 430064）

太阳能光伏系统是将太阳能转化为电能，而太阳能电池电压一般比较小且为非线性。本文采用boost DC/DC升压电路和最大功率跟踪爬山法做了分析设计，结合MATLAB/SIMULINK软件环境，进行相关实验和仿真。

太阳能电池 boost DC/DC 爬山法

0 引言

太阳能光伏发电是光伏电池将太阳光能转化为电能的过程。光伏效应(Photovoltaic Effect)是法国科学家Becqurel于1839年发现的。当半导体N型硅和P型硅结合时，N型区的电子扩散到P型区，P型区的空穴扩散到N型区，在此物理作用下，N型带正电荷，P型带负电荷，在硅半导体内部产生电场，形成PN结。当太阳光在半导体PN结上作用时，就可形成新的空穴-电子对，在PN结电场的作用下，空穴将由N型区流向P型区，而电子由P型区流向N型区，当电路接通后就形成导通电流；这就称为光电效应即太阳能光伏电池的工作原理[1,2]。

太阳能电池单体工作电压只有0.45～0.50V，工作电流为20～25mA/cm2，所以太阳能单体电池单独存在时一般没有实用价值。在工程中，将太阳能电池单体进行串联和并联后，就成为太阳能电池组件。当前实用的太阳能电池组件功率从几瓦到几百瓦不等，在目前并网发电系统中，由于太阳能电池组件构成的系统达不到并网逆变器输入侧所要求的直流电压，一般采用DC/DC直流升压模块将太阳能阵列输出的直流电压升高达到并网逆变器输入侧所需要的电压[3]。

1 DC/DC升压

DC/DC升压系统有很多种，变换器分为非隔离型和隔离型，按照输出是否与调整元件（开关器件）等构成的其它部分是否隔离来区分。隔离型变换器具有升压范围宽，工作安全可靠等优点，但由于采用了变压器，从而导致成本升高，体积大，工艺复杂，能耗高；因此本系统采用非隔离型Boost电路进行升压。

1.1 Boost电路参数设计

电路设计见图1。

1.2 Boost电路工作原理

则输入电压Vo和输出电压Vi之间的关系式为：

假设为理想电路没有任何损耗，即：

其中：P——Boost电路输入功率；

0——Boost输出功率；

I——Boost输入电流平均值；

0——Boost输出电流平均值。

则由式(5)、(6)、(7)、(8)可得：

其中Iin是Boost电路电感上的平均电流，因此可得：

将式(12)、(13)代入式(11)可得：

联立式(5)、(8)、(10)、(14)、(15)可得：

设：

为保证额定情况下满足纹波电流的要求，因此必须使：

以上是Boost电路电感的确定方法[5]。

考虑成本和体积故取=1.8 mH。

电容电压和电流的基本关系式为：

将式(1-7)代入式(1-22)可得：

电力中输出电压的纹波越小越好，为了在额定情况下使输出电压满足纹波要求，因此，就必须使得实际所选择的电容满足如下关系：

所以取350μF。

2光伏系统MPPT控制

2.1太阳能电池特性

太阳能电池是用半导体材料的光伏效应制成的，光伏效应是指半导体材料吸收光能后能转化为电能产生电动势的现象。太阳能电池的基本特性和半导体二极管类似，当半导体材料吸收光能后，由光子激发出的电子和空穴经过分离就会产生电动势[6]。太阳能电池是光电转换的最小单元，单体不作为电源使用，将太阳能电池单体进行串、并联并封装就成为太阳能电池组件，众多太阳电池组件按需求再进行串并联后就可形成太阳能电池阵列[7]。太阳能电池的等效电路图如下图3所示：

则可得太阳能电池的I-V特性曲线方程如下：

各参数代表的意思如下：—输出电流（A）；—输出电压（V）；I—光电流（A）；I—二极管反向饱和电流（A）；—等效并联电阻（）；R—等效串联电阻（）；

由公式（27），可画出太阳能电池的I-V特性曲线，P-V特性曲线如下图4：为在一定光照强度和温度下最大功率点输出功率[8]。太阳能电池的方程是表示在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流的特定关系，从图4中I-V特性曲线上可以看出：太阳能电池非恒压源，也非恒流源，它不能为负载提供任意大小的功率，是一种非线性直流电源系统[9]。

2.2 MPPT爬山法

爬山法也叫扰动观察法，其控制原理是电压的变化始终是让光伏电池的输出功率向更大的方向改变[10]。爬山法的本质是一个自寻最大点的过程，系统通过检测当前光伏阵列的输出电压与输出电流，计算出当前的输出功率；然后再给系统一个扰动量，测出扰动后阵列的输出电压和输出电流进而计算出扰动后时刻的输出功率，并与未扰动前的输出功率进行比较，若功率增加，则按照刚才的扰动方式继续进行，假如功率减小，则按照与原来扰动方式相反的方式进行扰动，如此循环的进行下去，最后让光伏阵列工作在最大功率点附近[11]。爬山法的原理示意图如图5所示。

计算机比较V2、V1，当V2>V1时，且P2>P1，则由图5说明光伏电池阵列工作在上坡段，则需要使输出电压变大，从而从图5中曲线左侧向最大功率点Pm靠近：相反若V2>V1，且P2

3仿真实验

Boost电路进行matlab/simulink仿真和具体实验近[14]，如下图7所示。

从仿真图8、图9、图10的结果和我们实验结果可以看出占空比为60%、40%与30%的时候都可以达到系统所需要的输入直流电压值，所以本电路设计和参数选择符合要求，达到了预期设计要求。

4结论

本文首先太阳能电池特性进行了分析介绍，其次对Boost电路的元器件进行了设计；并用matlab/simulink软件进行了仿真；达到了设计目的。然后，对MPPT的基本理论进行了介绍。

[1] 王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术.北京：化学工业出版社，2005.

[2] 黄亚平.太阳能光伏发电研究现状与发展前景探讨.广东白云学院学报，2007，14（2）:113-118.

[3] 冯垛生.太阳能发电原理与应用.人民邮电出版社，2007.

[4] 王兆安，黄俊.电力电子技术.西安：机械工业出版社，2005:107-108.

[5] 刘凤君.现代逆变技术及应用.北京：电子工业出版社, 2006:23-28.

[6] 郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究(博士学位论文).合肥工业大学，2005.

[7] Subrata Saha, Nobuyuki Matsui, Victor Prince Sundarsingh. Design of a low power utility interactive photovoltaic inverter.IEEE 1998:481-487.

[8] Andrew Kotsopoulos Peter J.M.Heskes Mark J.Jansen. Zero-crossing distortion in grid-connected PV inverters. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005,52(2):558-564.

[9] 李炜，朱新坚.光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型.计算机仿真, 2006,23(6) :239-243.

[10] 刘辉，吴麟章，江小涛等.太阳能电池最大功率跟踪技术研究.武汉科技学院学报，2005,18(8):12-15.

[11] 基于推挽电路的光伏电池最大功率点追踪系统. 通信电源技术，2006，23（2）:7-8.

[12] 陈兴峰，曹志峰，许洪华.光伏发电的最大功率跟踪算法研究[J]. 可再生能源，2005(1)：8-12.

[13] 崔岩,黄宏生，李大勇等.太阳能光伏系统最大功率跟踪器的研究，哈尔滨理工大学学报，2005,10(6):8-11.

Design of Photovoltaic System Based on Boost Voltage and MPPT

Ma Xiongcang, Xiong Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM743

A

1003-4862（2016）05-0012-04

2016-01-09

马雄仓(1982-), 男，硕士, 工程师。研究方向：电力电子技术。