光伏汇流箱中功率优化器的设计和MPPT控制方法研究

　　对于光伏电池，P=UI，则在最大功率点处：

系统在最大功率点左侧运行；

，系统在最大功率点右侧运行;

，系统在最大功率点处运行。

　　电导增量法的控制流程图如图9所示。

　　电导增量法基本解决了在最大功率点附近的震荡、功率损失等问题。对于环境的变化可以准确快速地调整系统输出，匹配最大功率点，平稳地跟踪。

　　3.2 变步长电阻增量法

　　借鉴电导增量法，本文提出了一种基于电流寻优的MPPT方法—变步长电阻增量法。电阻增量法的判断依据为：当前光伏阵列的P-I曲线(图3(c))斜率为零时在最大功率点处，为正时在最大功率点左边，为负时在最大功率点右边，即：

　　因此，可以通过判断U+IdU/dI的符号来实现跟踪。假设在最大功率点处I_ref=I_mpp，光伏电池将维持这个点直到输出功率发生变化，接着再通过增大或减小I_ref跟踪新的最大功率点。变步长电阻增量法的控制流程图如图10所示。其中，U(k)和I(k)为光伏电池的电压和电流采样值，U(k-1)和I(k-1)为上一个周期的采样值，I_ref为输出的最大功率点处电流参考值，I_step为最大功率点处电流参考值变化的步长。鉴于固定步长无法兼顾跟踪速度和稳态误差的缺陷，本文采用变步长方式，变步长电阻增量法原理为：光伏电池实际工作点位置距最大功率点处的远近决定了P-I曲线的斜率大小，若斜率大，则使用大步长跟踪;若斜率小，则使用小步长跟踪。取步长为I_step=K|dP/dI|，其中K为固定系数，步长可根据实际情况变化。

4 仿真结果及分析

　　通过Simulink对单重BOOST电路、双重BOOST电路和双路双重BOOST电路分别搭建电路模型进行仿真，实际工作过程为：首先对两个光伏电池封装模块进行电压和电流采样，通过变步长电阻增量法得到最大功率点电流，此电流的一半作为其对应双重BOOST电路中各个电感电流的指令值。再经过PI控制，生成对应每个开关管的PWM调制信号。PWM的载波信号是锯齿波，同一路两个开关管PWM信号在相位上互差180°。两路4个PWM信号相位互错90°。每个追踪器采用独立的MPPT控制，分别对每路光伏组件进行功率优化。

　　仿真电路中光伏电池组件在标准条件(1 kW/m²，25 ℃)下的最大功率点电压为31.8 V，最大功率点电流为5.47 A，开路电压为39.8 V，短路电流为6.15 A，负载为10 Ω，储能电容为50 μF，平波电容为200 μF，电感取值均为3 mH，开关频率为10 kHz。仿真时间为0.2 s。在0.1 s时，光照由1.0 kW/m2突变至1.2 kW/m²。

　　光伏电池的输出功率波形如图11所示，从图中可以看出，控制器在仿真启动后快速找到了最大功率点，并在光照强度突变后能快速跟踪到新的最大功率点。

　　在相同的仿真参数下，全部采用变步长电阻增量法进行MPPT控制，单重BOOST电路电感电流纹波和双重BOOST电路总电感电流纹波如图12和图13所示，电流纹波分别为ΔI=0.32 A、ΔI=0.23 A。通过比较可知，双重BOOST电路总电感电流纹波明显小于单重BOOST电路电感电流纹波，与理论分析相符。

　　双路双重BOOST电路在两路电流汇流后，再经过电容滤波，负载上的电压如图14所示，可以看出输出电压波动很小。

　　图15为双路双重BOOST电路中四个电感电流，从图中可以看出，采用电流寻优控制的变步长电阻增量法可以有效实现各电感电流均流。

5 结论

　　本文首先分析了光伏电池的工作原理和输出特性，并由此建立了光伏电池的数学模型。然后对功率优化器的拓扑结构做了改进，提出了一种双重BOOST电路结构。接着基于电导增量法提出了基于电流寻优的变步长电阻增量法。最后，用Simulink搭建了双路双重BOOST电路的仿真模型，仿真结果表明，采用变步长电阻增量法控制下的双路双重BOOST电路可以在快速跟踪最大功率点的同时有效实现各个电感电流均流。

　　参考文献：

　　[1]Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC).IPCC Special Report on Renew able Energy Sources and Climate Change Mitigation[R]2011.Cambridge，Cambridge University Press，2011.

　　[2]刘军,刘泽方,王晓云,等.光伏汇流箱的设计[J].中国科技信息,2012,90(8):148-149.

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

　　[4]汤济泽,王丛岭,房学法.一种基于电导增量法的MPPT实现策略[J].电力电子技术,2011,45(4):73-75.

　　[5]纪芳.并网光伏发电系统最大功率点跟踪技术研究[D].山东:山东大学,2010.

　　[6]张雪.三相三电平光伏并网逆变器的研究和设计[D].锦州:辽宁工业大学,2015.

　　[7]翟艳烁,马林生,赵全香,等.太阳能光伏电池的建模与仿真[J].电气开关,2012,03:35-37.

　　[8]刘文晋,王志新,史伟伟.基于双重BOOST电路的大功率光伏MPPT控制器[J].光伏建筑,2010,1(4):45-49.

　　[9]杨传伟.风力发电变流系统多重化升压斩波器的研究[D].北京:北京交通大学,2007.

　　本文来源于《电子产品世界》2018年第7期第49页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。