光伏匯流箱中功率優(yōu)化器的設計和MPPT控制方法研究

魯兵 黃遠洋 王卓

摘要：在光伏系統(tǒng)中，匯流箱起到了匯集光伏陣列輸出電流的功能，匯流箱中搭載的功率優(yōu)化器具有實現(xiàn)光伏電池最大功率點跟蹤的功能。設計的光伏匯流箱中每個支路采用雙重BOOST結構，MPPT算法采用變步長電阻增量法。由Simulink仿真可知，雙重BOOST結構能夠有效降低匯流箱輸出電流紋波，在光照強度突變后，采用變步長電阻增量法的功率優(yōu)化器可以使光伏系統(tǒng)快速穩(wěn)定地達到新的最大功率點并且使各個電感電流均流。

關鍵詞：光伏發(fā)電；功率優(yōu)化器：MPPT算法：雙虧BOOST： Simulink

0 引言

在大型光伏系統(tǒng)中，由于逆變器直流側電壓高，輸出功率大，所以應盡量避免光伏陣列同逆變器之間直接連線，同時為了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)發(fā)電效率達到最優(yōu)，需要在光伏陣列和逆變器之間安裝匯流箱[2]。本文研究的匯流箱，搭載具有MPPT功能的功率優(yōu)化器，增強了系統(tǒng)的可靠性。功率優(yōu)化器是一種基于DC-DC轉換電路的調節(jié)器[3]，它具有提高光伏陣列發(fā)電效率的功能。功率優(yōu)化器的結構如圖1中虛線框所示。

在光伏發(fā)電現(xiàn)場，由于陰影遮擋和地形方位不同等原因，往往造成光伏陣列失配問題，在大規(guī)模光伏發(fā)電場所，為匯流箱裝配功率優(yōu)化器可有效解決此問題。功率優(yōu)化器對光伏陣列輸出的電壓、電流信號采集，經(jīng)過MPPT控制，使光伏陣列不斷調整跟蹤最大功率點。

功率優(yōu)化器的關鍵技術是MPPT算法。國內外研究最多的MPPT算法有定電壓跟蹤法（CVT）、擾動觀測法（P&O;）、電導增量法（INC）[4]等，在產(chǎn)品開發(fā)過程中選擇MPPT算法至關重要。

1 光伏電池的數(shù)學模型和輸出特性

本節(jié)首先建立了光伏電池的數(shù)學模型，得到各項參數(shù)之間的數(shù)學關系和變化規(guī)律，進而得到輸出特性曲線。

1.1光伏電池的數(shù)學模型

由光生伏特原理，在光照下，光伏電池內部會產(chǎn)生相離運動且生成空穴電子對，從而產(chǎn)生電流[6]。光伏電池等效電路模型如圖2所示。圖中各參數(shù)詳解見表1[7]。

從圖2中的光伏電池等效模型和定義，結合P-N結特性方程，并進行兩個簡化處理：1）由于串聯(lián)電阻Rs很小，進行理想電路計算時可以忽略，因此光生電流可近似等于短路電流，即/ph=/sc；2）由于旁路并聯(lián)電阻Rsh很大，可達上千歐姆，所以可近似于開路，進行理想電路計算時可省略。可以得出等效電路的電流、電壓特性數(shù)學模型、如式（1）、式（2）所示：

式（1）和式（2）中，/o是二極管的總擴散電流，q是電子電荷（1.6×10-19C），k是玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K），T為熱力學溫度，A4為二極管特性因子，UL是光伏電池輸出端電壓，P為光伏電池輸出功率。

1.2 光伏電池輸出特性分析

光伏電池最主要的電氣特性為伏安特性、功率電壓特性和功率電流特性。圖3表示在周圍氣象溫度為25。C時，不同光照強度對光伏電池電流電壓特性、功率電壓特性和功率電流特性的影響。

由圖3可以看出，在不同的光照強度下，光伏電池僅存在唯一的最大功率點，為了高效地利用太陽能，需要使光伏電池盡可能多的時間工作在最大功率點或者其附近處，且在環(huán)境變化后快速追蹤到新的最大功率點，這就需要加入功率優(yōu)化器來對光伏電池進行最大功率點跟蹤控制。

2 功率優(yōu)化器設計

光伏陣列由于安裝不匹配、陰影遮擋、地形、方位等問題造成組件（串）失配。為了使光伏電池在各種條件下都能發(fā)出最大的功率，需要對匯流箱搭載帶有MPPT功能的功率優(yōu)化器。功率優(yōu)化器具有升壓功能，傳統(tǒng)的功率優(yōu)化器是基于單重BOOST的電路結構，為了抑制輸出紋波，需要裝備較大的輸出電容或者采用較高的開關頻率，大電容增加了成本和體積，開關頻率過高又會增加開關損耗。為解決此問題，采用一種雙重BOOST電路結構，能夠有效地減小輸出電流紋波、降低開關頻率、減少開關損耗。

2.1 雙重BOOST變換電路

傳統(tǒng)的MPPT控制器是基于單重BOOST電路結構，為了抑制輸出電流紋波，需要較大的平波電容或者采用較高的開關頻率，大電容增加了成本和體積，過高開關頻率必然會增加發(fā)熱和開關損耗。為了解決此問題，構建了雙重BOOST電路拓撲結構[8]，如圖4所示。

單重BOOST電路中的電感電流和雙重BOOST電路中的電感電流波形如圖5所示。圖5 （a）為單重BOOST電路，電感電流紋波為[9]：

式（3）中，L為電感，Ui為輸入電壓，D為占空比，T為開關周期。

根據(jù)圖5（b）可知，雙重BOOST電路的總電感電流由兩個錯相位的單重BOOOST電路電感電流疊加而成。其電流紋波分為占空比D<0.5和D>0.5兩種情況討論。

當占空比D<0.5時，在tO-tl期間，電流紋波為：匯流，每一路組件串列都連接到具有雙重BOOST電路結構的功率優(yōu)化器上。提出了一種應用于光伏匯流箱的雙路雙重BOOST電路結構，如圖7所示，電路中的的兩個主回路結構對稱，輸入獨立，輸出并聯(lián)在一起。控制上有4個PWM信號，對雙路雙重BOOST電路的開關管進行控制，同一路兩個PWM信號相位互錯180°，兩路4個PWM信號相位互錯90°，當只有一路組件串列進行MPPT控制時，仍能保證180°的錯相位控制。

由上一小節(jié)分析可知，雙重BOOST電路的總電感電流紋波是兩個單重BOOST電路電感電流紋波的疊加。同理，在兩路雙重BOOST電路輸出電流匯流后，由于相位互錯90°，紋波系數(shù)將會進一步減小。此電路結構能夠有效降低輸出電流紋波，降低開關頻率，從而降低開關損耗和發(fā)熱，還可以減小輸出平波電容大小。

3 最大功率點跟蹤算法研究

為了在光照強度突變后使光伏電池能快速穩(wěn)定地達到最大功率點，需要對光伏電池進行最大功率點跟蹤控制。對于雙重BOOST電路而言，繼續(xù)使用基于光伏電池電壓尋優(yōu)的方法則無法確保各個電感支路均流，所以要采用基于電流尋優(yōu)的控制方法，在確保實現(xiàn)MPPT控制的同時各個電感支路均流。

3.1 電導增最法

對于單極值的光伏電池P-U特性曲線來說，尋找最大功率點的實質便是搜索P-U曲線上導數(shù)等于零的橫坐標。電導增量法就是利用曲線的導數(shù)特性來完成最大功率點的搜尋，由圖8可知，光伏電池P-U特性曲線及dP/dU的符號變化規(guī)律，即在僅存在一個最大功率點的基礎上，在此位置的左側dP/dU符號為正，在此位置的右側dP/dU符號為負，在最大功率點處時dP/d U=O。

對于光伏電池，P=U/，則在最大功率點處：化簡得：

當U

當U>Um時，系統(tǒng)在最大功率點右側運行：

當U=Um時，系統(tǒng)在最大功率點處運行。

電導增量法的控制流程圖如圖9所示。

電導增量法基本解決了在最大功率點附近的震蕩、功率損失等問題。對于環(huán)境的變化可以準確快速地調整系統(tǒng)輸出，匹配最大功率點，平穩(wěn)地跟蹤。

3.2 變步長電阻增量法

借鑒電導增量法，本文提出了一種基于電流尋優(yōu)的MPPT方法變步長電阻增量法。電阻增量法的判斷依據(jù)為：當前光伏陣列的P-/曲線（圖3（c））斜率為零時在最大功率點處，為正時在最大功率點左邊，為負時在最大功率點右邊，即：

因此，可以通過判斷U+/dU/d/的符號來實現(xiàn)跟蹤。假設在最大功率點處，、ref=/mpp，光伏電池將維持這個點直到輸出功率發(fā)生變化，接著再通過增大或減小/ref艮蹤新的最大功率點。變步長電阻增量法的控制流程圖如圖10所示。其中，U（k）和/（k）為光伏電池的電壓和電流采樣值，U（k-1）和，（k-1）為上一個周期的采樣值，/ref為輸出的最大功率點處電流參考值，/step為最大功率點處電流參考值變化的步長。鑒于固定步長無法兼顧跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)誤差的缺陷，本文采用變步長方式，變步長電阻增量法原理為：光伏電池實際工作點位置距最大功率點處的遠近決定了P-/曲線的斜率大小，若斜率大，則使用大步長跟蹤；若斜率小，則使用小步長跟蹤。取步長為/step= K|dP/d/|，其中K為固定系數(shù)，步長可根據(jù)實際情況變化。

4 仿真結果及分析

通過Simulink對單重BOOST電路、雙重BOOST電路和雙路雙重BOOST電路分別搭建電路模型進行仿真，實際工作過程為：首先對兩個光伏電池封裝模塊進行電壓和電流采樣，通過變步長電阻增量法得到最大功率點電流，此電流的一半作為其對應雙重BOOST電路中各個電感電流的指令值。再經(jīng)過Pl控制，生成對應每個開關管的PWM調制信號。PWM的載波信號是鋸齒波，同一路兩個開關管PWM信號在相位上互差180°。兩路4個PWM信號相位互錯90°。每個追蹤器采用獨立的MPPT控制，分別對每路光伏組件進行功率優(yōu)化。

仿真電路中光伏電池組件在標準條件（1 kW/m2，25℃）下的最大功率點電壓為31.8 V，最大功率點電流為5.47 A，開路電壓為39.8 V，短路電流為6.15 A，負載為10 Ω，儲能電容為50μF，平波電容為200μF，電感取值均為3 mH，開關頻率為10 kHz。仿真時間為0.2 s。在0.1 s時，光照由1.0 kW/m2突變至1.2kW/m2。

光伏電池的輸出功率波形如圖11所示，從圖中可以看出，控制器在仿真啟動后快速找到了最大功率點，并在光照強度突變后能快速跟蹤到新的最大功率點。

在相同的仿真參數(shù)下，全部采用變步長電阻增量法進行MPPT控制，單重BOOST電路電感電流紋波和雙重BOOST電路總電感電流紋波如圖1 2和圖1 3所示，電流紋波分別為△/=0.32 A、△/=0.23 A。通過比較可知，雙重BOOST電路總電感電流紋波明顯小于單重BOOST電路電感電流紋波，與理論分析相符。

雙路雙重BOOST電路在兩路電流匯流后，再經(jīng)過電容濾波，負載上的電壓如圖14所示，可以看出輸出電壓波動很小。

圖15為雙路雙重BOOST電路中四個電感電流，從圖中可以看出，采用電流尋優(yōu)控制的變步長電阻增量法可以有效實現(xiàn)各電感電流均流。

5 結論

本文首先分析了光伏電池的工作原理和輸出特性，并由此建立了光伏電池的數(shù)學模型。然后對功率優(yōu)化器的拓撲結構做了改進，提出了一種雙重BOOST電路結構。接著基于電導增量法提出了基于電流尋優(yōu)的變步長電阻增量法。最后，用Simulink搭建了雙路雙重BOOST電路的仿真模型，仿真結果表明，采用變步長電阻增量法控制下的雙路雙重BOOST電路可以在快速跟蹤最大功率點的同時有效實現(xiàn)各個電感電流均流。

參考文獻：

[1]lntergovernmental Panel on Climate Change（IPCC）. IPCC Special Report on Renew ableEnergy Sources and Climate Change Mitigation[R]2011. Cambridge， Cambridge UniversityPress.2011

[2]劉軍，劉澤方，王曉云，等光伏匯流箱的設計[J]中國科技信息，2012，90（8）：148-149

[3]Roberto F Coelho， Filipe Concer， Denizar C Martins. A Study of the Basic DC-DCConverters Applied ln Maximum Power Point Tracking[C]. Power Electronics

[4]湯濟澤，王叢嶺，房學法一種基于電導增量法的MPPT實現(xiàn)策略[J]電力電子技術，2011，45（4）：73-75

[5]紀芳并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術研究[D]山東：山東大學，2010

[6]張雪三相三電平光伏并網(wǎng)逆變器的研究和設計[D]錦州：遼寧工業(yè)大學，2015

[7]翟艷爍，馬林生，趙全香，等太陽能光伏電池的建模與仿真[J]電氣開關，2012，03：35-37

[8]劉文晉，王志新，史偉偉基于雙重BOOST電路的大功率光伏MPPT控制器[J]光伏建筑，2010，1（4）：45-49

[9]楊傳偉.風力發(fā)電變流系統(tǒng)多重化升壓斬波器的研究[D]北京：北京交通大學，2007