張 瑩 佘 炎 姜建國 趙劍飛

（上海交通大學電氣工程系，上海 200030）

0 引言

現(xiàn)階段國內外的光伏逆變系統(tǒng)中，根據(jù)有無隔離變壓器，可以分為隔離型和非隔離型。隔離型系統(tǒng)中，接入工頻隔離變壓器的結構是最常用的。這種結構雖然安全性能高，但變頻器笨重，無法實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，而且對輸入電壓的范圍有限制。采用不隔離的DC-DC變換器不但可以使輸入電壓升高，滿足后級逆變器的要求，而且可以達到很高的效率，也可以方便地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

本研究主要介紹光伏系統(tǒng)中的DC-DC變換器的設計。通過介紹Boost電路的工作原理，進行仿真實驗，在此基礎上，給出詳細的電路參數(shù)和驅動電路、控制電路的設計方案，最后通過實驗驗證設計的正確性。

圖2 光伏電池仿真模型

1 太陽能電池的伏安特性分析

為了了解光伏電池工作過程，以及影響光伏電池工作效能的因素，必須通過等效電路模擬來進行分析，我們可以用一個電流源并聯(lián)上一個二極管的電路來表征電源的輸出特性，圖1為光伏電池板等效電路圖[1]:

圖1 光伏電池的等效電路

圖3 負載R的仿真模型

圖4 輸入電壓仿真模型

其中Iph表示光伏電池板由光照射后產(chǎn)生的電流，Dj表示一個P-N接面的二極管，Rsh和Rs則表示材料內部的等效并聯(lián)和串聯(lián)電阻，通常一般在分析時Rsh的值很大，而Rs的值很小，因此為了簡化分析過程，可將Rsh和Rs忽略不計。Ro表示外界負載，I、V則表示光伏電池板輸出電流及電壓。

根據(jù)光伏電池的等效電路圖，利用Matlab/simulink仿真中的電源系統(tǒng)工具庫（Power System Blockset）建立光伏電池的仿真模型，如圖2所示，開路電壓為200V，短路電流為10A，負載為0～1000Ω。

仿真結果如圖5所示:

由仿真結果可以看出:在光輻射恒定的條件下，開始光伏電池的輸出電流幾乎不變，輸出功率不斷增加。當電池電壓增加到一定值時，輸出電流開始變小，輸出功率達到一個最大值Pm，即最大功率點，之后隨著電池電壓的升高，輸出電流和功率都不斷變小，最后輸出電流減為0，輸出電壓達到最大值即開路電壓Voc。說明存在一個端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，為光伏電源控制方法的改進提供了途徑。

2 DC-DC轉換器的選擇以及仿真

DC-DC轉換電路 （也稱為斬波電路或斬波器）在直流電源和負載之間，通過控制電壓的方法將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路，被廣泛應用于開關電源、逆變系統(tǒng)和用直流電動機驅動的設備中[2]。

2.1 基于DC/DC變換器MPPT實現(xiàn)原理

由于太陽能電池的輸出I-V曲線是固定的，相對于不同的工作點，太陽電池有不同的輸出。即通過調整場效應管的占空比來調節(jié)轉換電路的等效電阻，實現(xiàn)對太陽能輸出電壓的調節(jié)也是通過調整開關的占空比。這樣，只要調整開關的占空比，就可以實現(xiàn)DC/DC轉換電路的兩個功能。

DC-DC轉換電路主要由主回路和控制回路兩部分組成。按照輸入輸出電壓的大小，DC-DC電路可分為:降壓型變換器，升壓型變換器，升降壓型變換器。

圖5 光伏電池I-V曲線

在本文中，由于光伏電池的輸出電壓比較小，而實際并網(wǎng)或使用中電壓較高，因此本系統(tǒng)采用Boost轉換電路，使輸出電壓高于輸入電壓。而且Boost轉換電路的結構和控制都較為簡單，具有較高的效率。

2.2 電路仿真模型及結果分析

利用Matlab/Simulink仿真中的電源系統(tǒng)工具庫（Power System Block set）建立Boost電路的仿真模型。如圖10中所搭建的是Boost電路的仿真模型，仿真設計的參數(shù)如下:輸入電壓100～200V，輸出電壓360V，輸出最大功率1000W，輸出電壓紋波最大為20V。

仿真輸出電壓波形如下:

根據(jù)項目要求的說明太陽能電池陣列輸入電壓在100～200V之間，輸出電壓為360V。該模塊的主要功能是通過控制Q的開關信號，即通過調節(jié)場效應管的占空比來保證輸出電壓穩(wěn)定在360V左右。在仿真中我們得到電壓和電感電流的誤差信號，經(jīng)過一個增量型PID環(huán)節(jié)構成電壓環(huán)和電流環(huán)，經(jīng)過PID調節(jié)輸出量，從而實時改變觸發(fā)脈沖寬度的大小實現(xiàn)變換器輸出穩(wěn)壓功能。

圖6 光伏電池P-V曲線

圖8 DC/DC升壓Boost電路的仿真模型

圖9 封裝子系統(tǒng)Subsystem仿真模型

圖10 仿真輸出的電壓波形

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 功率電路的設計

Boost變換器是由功率晶體管IGBT，升壓電感L，快恢復二極管D以及電解電容C組成。

常見的Boost電路設計時應該首先知道輸入直流電壓的額定值及變化范圍，輸出電壓、輸出電流的最大和最小值，另外還需要知道輸出電壓的穩(wěn)定度和紋波電壓要求等[4]。本設計中，輸入電壓在100～200V，輸出電壓穩(wěn)定在360V，最大輸出紋波值為20V，可計算得到L≥0.26mH，本實驗中采用0.3mH。

可計算得到C≥1800uF，本實驗中采用2200uF。

另外，此系統(tǒng)選用的2MB175－120型IGBT和40CpQo6O快恢復二極管。

3.2 驅動電路的設計

驅動電路的目的在于隔離并放大有ATmega16所產(chǎn)生的PWM信號，并讓此控制信號足夠驅動IGBT可靠的導通和截止。設計中采用光電耦合器作為脈沖的隔離驅動電路。實現(xiàn)光電耦合的基本器件是光電耦合器，本設計采用的光電耦合器選用芯片HCPL-3140/HCPL-0314。設計IGBT隔離驅動電路如下所示。

3.3 控制電路設計

DC-DC轉換電路的輸出是電壓，而光伏電池的輸出電流、電壓隨著周圍環(huán)境的變化而變化，因此必須對這兩個參數(shù)進行檢測，進行A/D轉換后，微處理器對其進行分析，實現(xiàn)對DC-DC轉換電路的開關器件進行控制，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。對DC-DC轉換電路的開關器件進行控制主要采用PWM技術（脈沖寬度調制技術）。

ATmega16是具有16KB系統(tǒng)內可編程FLASH的8位AVR微控制器。該控制器具有10路AD轉換口，電流電壓檢測得到 IADC、VADC1、VADC2供軟件程序調用。PC程序根據(jù)算法確定系統(tǒng)是否工作于最大功率點上，若否，PC通過相應算法決策改變PWM信號的占空比，使系統(tǒng)工作點始終跟隨光伏電池最大功率點的變化而變化。

圖13 實驗圖

圖14 輸出電壓和驅動脈沖的波形

圖11 IGBT隔離驅動電路

圖12 控制電路的設計

4 實驗結果與分析

使用一個300V穩(wěn)壓電源和一個1000Ω的電阻進行模擬，把穩(wěn)壓源和電阻串聯(lián)起來，組成一個線性電源，理想情況下最大功率點在150V處。

此系統(tǒng)輸入電壓為100～200V，輸入功率1000W，經(jīng)Boost升壓電路轉換后供給負載，改變PWM信號占空比，輸出電壓由圖15可知恒定在360V左右，占空比為93.3%，輸出電流為2.7A，效率為 97.5% 。

實驗結果表明，通過器件的選擇、IGBT驅動電路和DC-DC電路的設計，控制DC-DC變換器內部開關管的占空比可以準確有效快速地控制光伏電池的輸出電壓。該實驗有效地驗證了DC-DC恒電壓控制的性能，提高了系統(tǒng)的快速性和高效性。

5 結論

在不同的最大功率點跟蹤的方法中，DC-DC轉換電路方法簡單，實用性強，效率高。目前最大功率點跟蹤技術一般用在較大的光伏系統(tǒng)或電站。光伏陣列最大功率點跟蹤技術的實現(xiàn)方法的簡化以及跟蹤速度和精度的提高將來必然是發(fā)展趨勢。

[1]趙庚申，王慶章.最大功率跟蹤控制在光伏系統(tǒng)中的應用[J].光電子.激光，2003，14（8）:813～816

[2]王慶章.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制方法研究[J].南開大學學報，2005，38（6）:74～77

[3]Hua Chihchiang，Shen Chihming.Control 0f DC/DC converters for So1ar energy system with maximum power tracking.1997.IEC0N97.23rd Internationa1 Conference on Industrial E1ectronics，Control and Instrumentation，1997，2，827 ～ 832

[4]N.Femi a，G.Petrone，G.Spagnuolo，M.Vitelli.Optimizing Duty-cycle Perturbation 0f P＆O MPPT Technique.35th Annual IEEE P0wer E1ectronics Specialists Conference，Germany，2004，1939 ～ 1944