基于boost电路和Fibonacci-MPPT方法的设计实现

万豫，崔丰，潘华君

（1.中国人民解放军94625部队，江苏南京，210000； 2.江苏镇安电力设备有限公司，江苏镇江，212000）

0 引言

大家都知道，太阳能优点很多，使其成为新能源开发的主流，而光伏逆变器是光伏发电系统的核心部分，其效率的高低、反应的快慢、可靠性的好坏将直接影响整个光伏系统的性能和投资[1-2]。为了提高太阳能利用率，光伏发电的运行普遍采用最大功率点跟踪控制MPPT。太阳能电池其温度和总电阻之间有复杂的关系，因此其输出效率会有非线性的关系，可以用电流-电压特性曲线来表示。最大功率点追踪的目的就是在太阳能电池的输出取様，在任意的环境条件下都设法维持最大功率输出。其最大功率点MPPT是随着光照和温度变化而变化的。Boost 电路效率高、体积小，易于实现 MPPT 控制功能。Fibonacci-MPPT算法具有搜索范围大，处理速度较快，不受环境影响的优点[3-4]，本文设计了一款1500w基于boost电路和Fibonacci-MPPT方法的电路装置。

1 系统结构

本系统是以 STM32芯片作为控制核心，使用PB0和PB1分别采样电流和电压，通过PE4输出PWM信号，然后经过芯片IR2110处理，得到MOS管的驱动信号。主电路中太阳能电池板输出电压经过电阻采样送到STM32芯片PA1，电流通过ACS712芯片进行采样，变成电压信号送到STM32芯片PA2，然后经过ARM实现Fibonacci-MPPT运算，得到驱动信号，送到MOS管的G极，以最大功率点处的占空比工作。如图1所示。

图1 系统图

2 Boost电路设计

一块太阳能电池为250W，采用6块串联组成1500W的太阳能电源。具体的设计如下：

■2.1 电感值和电容值设计

采用6块太阳能电池并联使用：6块太阳能电池最低输入电压Vin_min=150V；最高输入

电压Vin_max=233.3V；最大功率点电压Vin_mppt=180.1V；太阳能电池最大输出

功率Pin_mppt=1500W；Boost的效率η=0.97；Boost最大输出功率PO=η×Pin_mppt=1455W；输出电压VO=400V；输出电流工作频

率fs=60kHz；峰值电流Iin_max=8.7A；最大占空比最小占空比

电流纹波设为40%；

电感电流脉动量∆Iboost=0.4×Iin_max=3.5A；电感电流的最大值IL_max=Iin_max+∆Iboost/2=10.5A

■2.2 开关管和二极管的设计

电路使用60kHz的PWM信号，MOSFET对于这种频率的PWM信号有使用优势，因此选用MOS管作为Boost电路的开关管。在电路中MOS管承受的最大电压为500V，电流为20A，因此选用1个N沟道IRF460 MOS管。IRF460 MOS的主要参数为：耐压500V，额定电流21A。BOOST电路中的二极管应具有较低的通态压降和快速反向恢复特性，在电路中承受最大600V的电压和最大30A的电流，因此选用二极管的主要参数为：耐压600V，电流为30A。

■2.3 MOS管损耗计算

选MOS管IRF460工作在80°；漏极电流ID=16A；门极电压设为VGS=10V；

门极串联电阻 Rg=10Ω；Ciss=4300pF ；Crss=250pF ；Coss=1000pF；

导通电阻为Ron=0.25Ω；门阀电压为VTH=4V；跨导gfs=13S；关断下拉电阻ROFF=0.5Ω；

假设太阳能电池板工作在最大功率点：

纹波假设为40%；

峰值电流为IO1=8.31×1.2=9.972A；谷值电流为IO2=8.31×0.8=6.648A

MOS管的漏源电压为VDS=VO=180.6V

VDD=VDS-IDRon=176.6V

门极电压从0增到开启门阀值电压前的时间：

门极电压从开启电压增加到米勒开启电压的时间：

开通米勒电压VGP1=VTH+IO1/gfs=4.767V

VGS处于米勒平台的时间：

Ploss_ON=0.5fsVDDID(t2+t3)=8.495W

在关断时刻：

关断米勒电压 VGP2=VTH+IO2/gfs=4.511V

开关损耗为Ploss=Ploss_ON+Ploss_OFF+PCOSS=17.764W；MOS管通过电流有效值为ILOAD=8.31A；

导通损耗为PDR=ILOAD2RonD=7.795W；MOS管总损耗Ploss_MOS=Ploss+PDR=25.559W；

二极管损耗为Ploss_D=ILOAD×0.7(1-D)=3.191W

总损耗为Ploss_sum=Ploss_L+Ploss_MOS+Ploss_D=43.692W

3 基于bonacci-mppt的基本原理及软件实现

Fibonacci数列定义如下：

C0=0，C1=1，C2=1…Cn=Cn-2+Cn-1n≥2

Fibonacci线性搜索一般应用在可变函数最优化技术上。用此数列来约束迭代和搜索范围使得最大点在搜索范围内。搜索转移方向有函数范围内的两点值决定的。限制和转移如图2所示。

图2 Fibonacci搜索限制和转移

在Fibonacci搜索中，第一次迭代需要选择两个点计算，随后的迭代过程只要计算一个点。当满足|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε（δ和ε是预先给定的公差）时，搜索过程结束。

在Fibonacci搜索中，如果f(c0)≥f(d0)，那么最大点肯定在区间[a0，d0]内，这时a1=a0，b1=d0，然后继续在区间[a1，b1]内搜索。如果f(c0)≤f(d0)，那么最大点肯定在区间[c0，b0]内，这时a1=c0，b1=b0，然后继续在区间[a1，b1]内搜索。其中可变量与Fibonacci数列的关系见公式

下次迭代区间：

当cn等于0或者|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε满足时，搜索过程结束。

当Fibonacci搜索算法在光伏阵列MPPT中应用时，变量x可以看作是光伏阵列的电压或者电流，或者是功率变换器的占空比D，函数f(x)则看作时输出功率。该方法是重复限制转移范围使最大点在搜索范围内。

在此算法中，引入了一个功率校正功能即功率校正值P'(，如公式所示

公式是检测辐射突变或者部分阴影的。

当上式不成立，说明发生日照突变，则重新初始化并返回到初始条件下，若上式成立，则继续搜索。其中r的取值要适中，根据经验取r=0.2。

初始条件为：

根据改变x的值来控制占空比，然后比较x1和x2处功率的大小，确定搜索范围的变化[5]。

4 测试数据

测试用6块太阳能电池板串联进行测试，找到了最大功率点，电流为8.2A，电压为181.2V，其最大功率为1485.4W。通过本文所设计方案可以很好的实现最大功率点的跟踪。

5 结论

对BOOST主电路进行测试，开关管是IRF460 MOS，开关频率是60kHz,电感是600μh，电容是1600μF，采用stm32f103系列芯片控制驱动及保护，每采样50次后取平均值，测试环境天气变化的时候。介绍了最大功率跟踪的控制电路和系统框图，阐明了BOOST电路各元件的参数确定方法及MOS管的开关损耗计算。MPPT的设计以Fibonacci-mppt为依据，介绍了Fibonacci-mppt的原理，特别是在温度和光照变化时，就重新进行搜索和跟踪，并对1500W的光伏电池进行了测试，找到了最大功率点,电流为8.2A，电压为181.2V，其最大功率为1485.4W，此时光照强度为800W/m²。测试数据显示Fibonacci-mppt的准确性，验证了方案的合理性和可行性。