基于電流饋入型半橋變換器光伏陣列MPPT仿真

史永勝， 李 娜， 王雪麗

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 西安 710021)

·專題研討—虛擬仿真實驗(51)·

基于電流饋入型半橋變換器光伏陣列MPPT仿真

史永勝， 李 娜， 王雪麗

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 西安 710021)

針對目前光伏陣列前級DC/DC變換器效率低的問題，采用了一種基于電流饋入型半橋變換器的電導增量法的方案，通過運用電流饋入型半橋變換器實現(xiàn)電氣隔離和零電流，同時可以實現(xiàn)較大的電壓增益并且實時追蹤太陽能光伏的最大功率點。利用Matlab/Simulink仿真軟件，建立了光伏陣列的仿真模型，并根據(jù)仿真結果驗證了所建模型的正確性；分析了最大功率跟蹤(MPPT)實現(xiàn)的方法即選用電導增量法來實現(xiàn)，并搭建了MPPT模型；建立了基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型，并對其在標準條件及外界溫度、光照變化時做了詳細的仿真，根據(jù)仿真結果可以驗證電流饋入型半橋可以高效率的實現(xiàn)對最大功率的跟蹤控制。

電流饋入型半橋變換器； 電導增量法； 光伏陣列

0 引 言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出特性具有非線性特性，其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況等因素的影響。在一定的光照強度和環(huán)境溫度等條件下，光伏電池可工作在不同的輸出電壓。只有在某一輸出電壓值時，光伏電池輸出的功率才能達到最大。作為有限的功率源，為提高光伏電池的利用率，提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，而調整光伏電池工作點的任務就是由光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能變換系統(tǒng)來具體完成的。因此，一個性能優(yōu)良的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其電能變換電路必須具備最大功率點跟蹤(MPPT)功能[1-2]。

電導增量法是一種得到廣泛研究和應用的MPPT方法，而傳統(tǒng)的基于電導增量法的控制策略方案一般采用的是BOOST電路[3-5]。BOOST變換器是非隔離拓撲，而且大電流工作時其轉換效率低。而本文所采用的電流饋入型變換器，既能實現(xiàn)電氣隔離，又能實現(xiàn)軟開關，可以提供較高的電壓增益[6-8]，提高系統(tǒng)的工作效率。

因此，本文根據(jù)光伏電池最大輸出功率與光照度的關系，建立了基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型，采用電導增量法，通過調整DC-DC變換器的占空比實現(xiàn)了最大功率跟蹤。

1 光伏電池的模型

如圖1是光照下太陽能光伏電池的實際等效電路，圖中考慮了太陽光伏電池本身電阻對其特性的影響[9-11]。根據(jù)電路圖，可以得到輸出電流為：

(1)

式中:I為穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出電流；U為輸出電壓；IL為光生電流；ID為電池P-N結在無光照時的反向飽和電流，單位為A；q為電子電荷，1.6×10-19C；K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-38J/K；T為熱力學溫度；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為旁漏電阻。

圖1 太陽能光伏電池的實際等效電路

設在某光照條件下，光伏電池的開路電壓和短路電流分別為Uoc和Isc，則上式可簡化為：

(2)

其中：

根據(jù)上述的數(shù)學模型，本文基于Matlab建立了光伏陣列的模型[12]。仿真用的光伏組Isc=7.44 A,Uoc=35.4 V和Im=6.94 A，Um=28.8 V。所得出的光伏陣列的仿真特性曲線如圖2、3所示。

從圖2和圖3可以看出，在光照強度和溫度一定時，每一個P-U特性曲線都有一個最大值，這就是光伏陣列的最大功率點。溫度恒定時，光照強度越大，輸出功率越大。在光照強度一定時，溫度上升，光伏電池的輸出功率會減小，因此工作環(huán)境的溫度會直接影響到光伏電池的效率。

2 最大功率點跟蹤

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池內部特性有關外，還受使用環(huán)境如輻射度、負載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點上。因此，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應當尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，最大限度地將光能轉化為電能。利用控制方法實現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出運行的技術被稱為最大功率跟蹤(MPPT)技術。

2.1 電導增量法原理

電導增量法(INC)是現(xiàn)階段實現(xiàn)最大功率點跟蹤常用的自尋優(yōu)類方法之一。它的原理是：電導增量法是根據(jù)光伏電池的功率P隨著U變化而變化的規(guī)律出發(fā)，通過觀察光伏電池的P-U曲線，對P=UI求全導數(shù)：

dP=IdU+UdI

曲線在最大功率點P對工作電壓U的倒數(shù)為零。因此，在最大功率點有：

即有

當上式不成立時，可以根據(jù)該式的正負來判斷系統(tǒng)工作在最大功率點的哪一側：

2.2 MPPT仿真模型

圖4中用零階保持器來實現(xiàn)對光伏陣列輸出電流和電壓的采樣，采樣周期設為1 ms，用有記憶延遲功能的“memory”來保存本周期采樣值，同時作為下一個周期的比較值輸入。MPPT 算法控制信號相比較后，輸入“Switch”，經過判斷輸出占空比的變化值。

圖4 INC仿真模型

3 基于電流饋入型半橋的MPPT仿真

3.1 電流饋入型半橋變換器拓撲

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，前級DC/DC變換器可以說是整個系統(tǒng)中的核心部分，既要給直流母線提供合適的電壓，又要實現(xiàn)MPPT，不對后級產生影響。因此說前級DC/DC中的隔離是很重要的。而目前應用最多的是BOOST升壓電路，其結構簡單，但是電路中沒有隔離。反激變換器是一種在小功率電源中應用十分廣泛的一種拓撲[13-14]，結構簡單，開關頻率較高，能實現(xiàn)電器隔離。但是，為了提高變換器的效率，常常需要加入軟開關技術，目前，幾乎所有的光伏系統(tǒng)中的軟開關都集中在零電壓(ZVS)上[15]，但是對于光伏系統(tǒng)來說，實現(xiàn)零電流(ZCS)對效率的提高更有實際性的意義。

因此，本文DC/DC變換采用的是電流饋入型半橋電路。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的輸出電壓Upv即是DC/DC電路的輸入電源Uin，設電流饋入型半橋變換器的輸出電壓為Uo。圖5為電流饋入型半橋電路。

圖5 電流饋入型半橋變換器拓撲

圖中，S1、S2是開關管，其占空比互補，并且存在一定的導通交疊時間；L1、L2為輸入電感，Lk為變壓器的漏感；Cr、Cb和Co分別為諧振電容、隔直電容和輸出濾波電容；D1、D2是整流二極管。

根據(jù)文獻7，忽略兩個開關管的交疊導通時間和諧振過程的影響，對電感L1、L2分別利用"伏秒積平衡"原理，有：

得到：

3.2 仿真模型研究

在圖6仿真模型中，光伏組件后連接電流饋入式半橋變換器。由于光伏組件的最大輸出功率會隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生變化，故需要在DC/DC變換器中加入最大功率跟蹤算法，目的就是使光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流變換器的輸出功率追蹤光伏組件的最大功率，具體是通過調整DC-DC中功率開關管的控制信號的占空比，來追蹤光伏系統(tǒng)工作輸出的最大功率點，進而實現(xiàn)MPP控制。

(1) 光伏陣列溫度變化時的仿真分析(溫度變化：25 ℃～75 ℃～0 ℃；光照強度S=1 kW/m2保持不變)

(2) 光伏陣列光照強度變化時的仿真分析(光照變化：1 000～800 W/m2；溫度T=25 ℃保持不變)。

(3) 溫度、光照強度均發(fā)生變化時的仿真分析。當光照強度和發(fā)生如上圖的變化時，電流饋入型半橋變換器的輸出功率的變化如圖7～9所示。通過對比圖3發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境變化時，通過使用電導增量法，電流饋入型半橋變換器可以高效率的實現(xiàn)對光伏組件的最大功率跟蹤。

圖6 基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型

圖7 溫度變化時的光伏陣列功率曲線

圖8 光照強度變化時的光伏陣列功率曲線

4 結 語

根據(jù)光伏電池的等效電路，建立其物理數(shù)學模型，并應用 MATLAB 的 Simulink 工具構建光伏電池陣列的仿真模型。由仿真結果表明：光伏電池陣列模型輸出基本同實際輸出相似。輸出電壓及電流受光照強度和溫度變化的影響，但在任意溫度和光照強度下都存在一個最大功率輸出點。應盡量使光伏電池陣列工作在該點，這樣才能提高光伏電池陣列的利用率。本文以基于電流饋入式半橋電路的MPPT控制系統(tǒng)為研究對象，應用Simulink模塊搭建了整個控制系統(tǒng)的仿真模型。并對其在標準條件及外界溫度、光照變化時做了詳細的仿真。結果表明，所建立的MPPT控制系統(tǒng)能在不同光照強度下準確高效地追蹤光伏電池的最大功率點，使系統(tǒng)整體效率得到提高，因此該仿真模型具有很好的動態(tài)特性和實用性。

圖9 溫度和光照強度都變化時的光伏陣列功率曲線

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MPPTSimulationResearchforPhotovoltaicArrayBasedontheCurrentFedHalfBridgeConverter

SHIYongsheng，LINa，WANGXueli

(College of Electrical and Information Engineering， Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021， China)

Aiming at the low efficiency of the current DC/DC converter of PV array, this paper presents a scheme of incremental conductance based on the current fed half bridge converter that can achieve electrical isolation and ZCS. At the same time, it can realize larger voltage gain and track solar photovoltaic maximum power point．First of all，the simulation model of PV array is established by Matlab / Simulink simulation software，and the correctness of the model is verified according to the simulation results. Secondly, the method of maximum power tracking (MPPT) is analyzed. And the MPPT model is built. Finally, the MPPT simulation model based on the current fed half-bridge converter is established and its simulation is carried out under the standard condition and the changes of environmental temperature and illumination. According to the simulation results, current-fed half-bridge can achieve high-efficiency tracking control of maximum power.

current-fed-half-bridge converter； incremental conductance； photovoltaic array

TM 615

A

1006-7167(2017)11-0094-04

2017-01-12

陜西省工業(yè)科技攻關項目(2015GYM73)

史永勝(1964-)，男，陜西西安人，教授，研究生導師，主要研究方向：特種電源和先進光電器件。

Tel.:13720758687; E-mail.:375743980@qq.com