5kW光伏最大功率点跟踪电路的设计

摘要：采用TMS320F28035 DSP控制系统实现最大功率点追踪，对最大功率追踪控制中DC-DC转换电路的控制方法和原理进行了分析。采用升压式DC-DC转换电路来实现最大功率点，该方法电路简单，控制方法灵活。 叙词：DC-DC转换电路 最大功率点追踪（MPPT） 仿真 Abstract：This paper describes the method of maximum power point tracker with DSP TMS320F28035 controlling in photovoltaic system, especially introduces the techniques and principle of DC-DC conversion. Maximum power point tracker is implemented with a DC-DC conversion topology. The system is simple with good response speed. Keyword：DC-DC conversion, Maximumpower point tracking(MPPT), Simulate

1  引 言

住宅联网光伏系统投资少、见效快、节能环保，非常适合于建筑多、 阳光充足的地方发展。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）。最大功率点跟踪是太阳能并网发电中一项重要的关键技术，它是指为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法，使阵列始终工作在最大功率点上。根据太阳能电池的特性,实现的跟踪方法主要有以下三种:太阳跟踪、最大功率点跟踪或两种方法综合使用。出于经济方面的考虑,在小规模的系统中经常使用最大功率点跟踪的方法。

2  太阳能最大功率点跟踪电路及其参数确定
本文采用两级式无变压器光伏并网拓扑方式，前级DC-DC环节实现MPPT，后级H桥环节实现并网。前级DC-DC升压环节可以采用多种形式的拓扑结构，同时可以通过调节DC-DC变换器的占空比来实现最大功率跟踪。从变换器的效率角度来看，各种拓扑结构中，BUCK和BOOST电路效率是最高的，BUCK-BOOST电路次之，半桥与全桥再次之，而效率对光伏系统的应用非常重要。BOOST电路也是用在并网系统中最大功率跟踪的理想选择。首先，它使直流侧的电压配置更加灵活，BOOST电路为升压变换器，这样光伏阵列的最大功率点电压可以低于交流侧的峰值电压，通过BOOST电路的升压后再进行逆变；其次，BOOST电路本身具有较高的效率，其中的二极管可以用作自然的防止电网侧的能量加于光伏阵列；再次，能量的解耦在BOOST电路的输出端，这样BOOST电路的输入端，也就是光伏阵列的输出，可以通过控制手段使其波动很小，使得最大功率跟踪的精度提高。所以，本系统前级DC-DC环节采用BOOST升压的电路结构。本文所采取的BOOST电路结构见图1。

图1 BOOST电路拓扑

2.1 BOOST电感的设计  

本文所采用BOOST电路工作在连续导电模式，稳态时根据电感伏秒积平衡原理可得

式中：

    Vpv——光伏阵列输出电压；

    Vdc——BOOST输出电路； 

    DTS——开关管的导通时间。  

整理后可得: 

本系统中光电池输入电压范围为Vpv=200V~550V，电流纹波取ηi≤25%，输入功率Ppv =5500W，输出母线电压Vdc =350V，开关管频率为16kHz。根据式（6）可得Lmax=825µH，本文取Lmax=900µH。

2.2 母线电容设计

    式中：

    △Vdc——电容电压纹波；

    Cdc——母线电容值。

实际电路中，母线电容除了输出滤波外，还具有储能的作用，且H桥逆变器也不能完全看作是纯阻性负载，所以中间电容取20倍的较大裕量，用2500µF的电容。电路中采用5个300V，1000µF的电容串联，然后和同样的一组电容并联。

2.3 开关管的设计

由于MOSFET在低压、高频中的使用优势，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600V，电流为28A，因此选用1个Infineon的SPW47N60C3 MOS管。SPW47N60C3的主要参数为：耐压650V，额定电流47A。

2.4 二极管的设计

升压斩波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 28A的电流，因此选用二极管的主要参数为：耐压600V，电流为40A。

3  MPPT的控制实现方法

目前比较常用的MPPT控制方法主要有功率扰动法、电导增量法，结合项目实际情况，本文应用功率扰动法实现MPPT。扰动观察法的原理是，先给一个扰动输出电压信号(VPV+△V),再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向相同的(△V)方向扰动；若扰动后的功率值小于扰动前，则向相反的(△V)方向扰动。此法的最大优点在于结构简单，测量参数少，通过不断扰动使阵列输出功率趋于最大。控制流程图如图2所示

图2 MPPT流程图

整个BOOST电路所实现MPPT功能的系统控制框图如图3所示。

图3 系统控制框图

4 仿真实验

根据上述所设计参数及控制方法搭建了5kW的仿真平台，如图4所示。

图4系统仿真图

图中PV为光电池模型，T为太阳能电池板工作温度，S为太阳光照强度，VP为光电池工作电压，MPPT为系统控制核心模块。完成了图3的系统控制框图中Dclink前面的所有部分；包括MPPT计算、PI计算、PWM生成及驱动信号的生成。

4.1 光照强度变化时仿真分析

初始电池温度T为25°时，太阳光照强度S为800W/m2，0.1S时光照强度上升到1000 W/m2，0.15S时上升到1200W/m2，0.2S时下降到800 W/m2，0.25S时上升到1000W/m2。温度保持不变时，最大功率跟踪如图5所示，图中蓝色为最大功率、绿色为跟踪功率。从图中可见，随着光照强度的变化，最大功率点随着变化。

图5光照强度变化时最大功率追踪图

4.2 电池温度变化时仿真分析

初始光照强度保持1000W/m2时，光电池温度为25°，0.15S时光电池温度上升到光电池温度从35°，0.2S时光电池温度上升到45°时，光照强度保持不变，最大功率跟踪如图6所示，图中蓝色为最大功率、绿色为跟踪功率。从图中可见，随着温度的变化，最大功率点随着变化。

图6温度变化时最大功率追踪图

由图5及图6可见，在温度及光照的扰动下，光电池的最大输出功率点在变动，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

本文以5kW/220V太阳能MPPT控制为例，介绍了最大功率跟踪的控制电路和系统框图，阐明了DC-DC升压斩波电路各元件的参数确定方法。MPPT的设计以功率扰动法为依据，采用自寻优算搜索算法进行最大功率点跟踪，通过MATLAB软件对太阳能MPPT控制系统进行仿真，验证了方案的合理性和可行性。

参考文献

[1]　李晶,窦伟,徐正国,等.光伏发电系统中最大功率点跟踪算法研究[J].太阳能学报,2007(3).

[2]　张凌.单相光伏并网逆变器的研制.北京交通大学硕士学位论文,2007.

[3]　林飞,杜欣主编.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2009:1

作者简介

管晓磊（1984-），男，汉族，黑龙江人，助理工程师，本科，研究方向：电力高频开关电源，逆变电源，光伏并网逆变器。■