非理想Boost變換器對光伏MPPT的影響

上海海事大學電氣自動化系 王敏捷 王潤新

非理想Boost變換器對光伏MPPT的影響

上海海事大學電氣自動化系 王敏捷 王潤新

為探索Boost電路非理想參數對光伏系統最大功率點跟蹤MPPT(maximum power point tracking)的影響，用MATLAB分別仿真Boost變換器非理想參數取不同值時光伏電池輸出功率與變換器占空比之間的波形。結果表明，Boost變換器非理想參數的取值直接關系到光伏電池能否實現MPPT。

光伏發電系統；最大功率點跟蹤；占空比；狀態平均法

0 引言

光伏系統通過硬件追蹤太陽和軟件控制算法控制Boost變換器的占空比進而跟蹤最大功率點[1]。常用的算法有恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、模糊邏輯法、神經網絡法等。然而除算法的影響外，非理想變換器參數對光伏MPPT也有很大影響。為驗證該論斷，本文首先對非理想Boost變換器進行數學建模，其次對光伏電池采用工程用數學模型并簡要介紹MPPT原理，然后利用最大功率傳輸定理建立光伏電池與Boost電路及負載電阻間功率等式關系，最后通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性。

1 非理想Boost變換器建模

采用的是狀態平均建模方法[2]：

圖1(a) IGBT導通電路

圖1(b) 二極管導通電路

當IGBT導通時的電路如圖1(a)所示，此時有：

當二極管導通時的電路如圖1(b)所示，此時有：

整個過程中電感的直流部分為：

同理可得到電容的直流部分表達式為：

依據式(6)、式(7)分別建立等效電路圖并將兩者合并可得到圖2：

圖2 變換器等效電路圖

依據圖2可得到如下的VZ與V之間的比例式,效率的表達式：

2 光伏電池的工程用數學模型

依據電池的特性參數簡化物理模型得到光伏電池的工程數學模型[3]：

式中C1,C2分別為：

其中Isc,Voc,Im,Vm為商家提供在標準工作狀態下光伏電池參數，P1為光伏電池輸出功率。

本文所建立的光伏電池等效模型參數為：參考光強Gref=1000W/m2，參考電壓Tref=25℃，短路電流Isc=6.99A，開路電壓Voc=34.8V，最大功率點電流Im=6.7A，最大功率點電壓Vm=27.3V[4]。

3 光伏系統MPPT原理

圖3 基于Boost變換的MPPT原理圖

如圖3所示，采樣光伏電池輸出側的電壓和電流送到MPPT控制器，通過MPPT控制器控制Boost變換器IGBT的導通與關斷也即控制Boost變換器的占空比D，進而控制Boost變換器輸入側等效電阻Req,由最大功率傳輸定理可知當光伏電池的等效電阻r等于Req時其輸出的功率最大，通過實時調整D使光伏系統總滿足最大功率傳輸定理進而實現MPPT。

4 理論推導與仿真

由光伏電池等效模型參數得其內阻：

光伏電池輸出最大功率時有：

即：

由于R＞0，可知這是一個關于D開口向上的拋物線。

4.1 理想情形下

取負載電阻R=10Ω，Matlab仿真結果如圖4所示。

4.2 非理想條件下

對方程式(15)解分以下四種情形進行討論：

4.3 仿真

分別選取滿足上述不等式關系的數值。情形(1)數據如下：IGBT開關電阻Ron=0.8Ω，二極管導通電壓源VD=0.7V，二極管導通電阻RD=0.2Ω，電感銅耗RL=3.279Ω，負載電阻R=10Ω，標準狀態下電阻r=4.07Ω。

將上述數據帶入式(18)中并用Matlab仿真。

情形(2)R=2Ω，其余參數較(1)不變；情形(3)RL=5Ω，其余參數較(1)不變；情形(4)RL=1Ω，其余參數較(1)不變；以上四種情形的仿真結果如圖4所示。

5 仿真分析

如表1所示，當RL=0Ω時是在理想情況下測得的數據D，理論與實際近似；RL=3.279Ω時理論值D與實際值D的差值相對于其它三種情況相差較大，這是由于其一滿足此種情況的電感銅耗可取值得范圍較小，并且相互之間的差異小，其二仿真中采用的模型并非十分精確（例如光伏電池采用的是工程用數學模型）這也是一個原因；RL=5Ω時得到的功率曲線并非光伏電池最大功率輸出時的曲線，所以并不能直接從仿真曲線中讀取，且此時占空比D=1，IGBT始終導通，光伏并不能給負載側供給能量；RL=1Ω是較理想的數據，且D的值取的也適中。同樣地，可以作出光伏最大功率輸出時，光伏的電流和電壓與變換器占空比D的關系曲線，直接得到在不同的非理想參數下光伏的電流I和電壓V數值。D與P確定的函數關系，D與V之間單調的函數關系為研究在非理想條件下占空比擾動控制策略提供了理論依據[5]。

圖4 仿真輸出波形

表1 不同情況下測量值與理論值比較

6 結論

Boost變換器非理想參數會使光伏MPPT時占空比發生移動甚至可能使光伏不能實現MPPT。設計光伏MPPT時要綜合考慮算法和變換器非理想參數的影響。本文是應用單個光伏電池在標準狀況下進行分析的，對于多個光伏模塊的串、并聯和非標準狀況可依據修正方程式修正后進行相似分析。

[1]Aamir Hayat,Ali Faisal,Muhammad Yaqoob JavedM. Hasseb,Riaz Ahmad Rana.Effects of Input Capacitor(Cin)of Boost Converter for Photovoltaic System[J].IEEE 2016 International Conference on Computing,Eletronic and Electrical,pp:68-73,2016.

[2]Robert W.Erickson,Drafan Maksimovic,Fundamentals of Power Electronics.(2nd ed.)Kluwer Academic Publishers[J].2004:52-55.

[3]蘇建徽,余世杰,趙為,等.硅太陽電池工程用數學模型[J].太陽能學報,2001,22(4):409-412.

[4]李麗芳,江冰,等.光伏發電系統MPPT控制仿真模型[J].計算機仿真,2015,32(4):116-119.

[5]方波,羅書克,康云龍.光伏占空比擾動控制MPPT及其仿真研究[J].可再生能源,2013,31(10):5-9.

王敏捷，男，河南開封人，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

王潤新，男，博士，博士后，碩士生導師，研究方向：電力電子系統的建模和控制。