馬雄倉，熊 威

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基于光伏升壓與最大功率跟蹤設(shè)計(jì)

馬雄倉，熊 威

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所, 武漢 430064）

太陽能光伏系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，而太陽能電池電壓一般比較小且為非線性。本文采用boost DC/DC升壓電路和最大功率跟蹤爬山法做了分析設(shè)計(jì)，結(jié)合MATLAB/SIMULINK軟件環(huán)境，進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)和仿真。

太陽能電池 boost DC/DC 爬山法

0 引言

太陽能光伏發(fā)電是光伏電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的過程。光伏效應(yīng)(Photovoltaic Effect)是法國科學(xué)家Becqurel于1839年發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)半導(dǎo)體N型硅和P型硅結(jié)合時，N型區(qū)的電子擴(kuò)散到P型區(qū)，P型區(qū)的空穴擴(kuò)散到N型區(qū)，在此物理作用下，N型帶正電荷，P型帶負(fù)電荷，在硅半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生電場，形成PN結(jié)。當(dāng)太陽光在半導(dǎo)體PN結(jié)上作用時，就可形成新的空穴-電子對，在PN結(jié)電場的作用下，空穴將由N型區(qū)流向P型區(qū)，而電子由P型區(qū)流向N型區(qū)，當(dāng)電路接通后就形成導(dǎo)通電流；這就稱為光電效應(yīng)即太陽能光伏電池的工作原理[1,2]。

太陽能電池單體工作電壓只有0.45～0.50V，工作電流為20～25mA/cm2，所以太陽能單體電池單獨(dú)存在時一般沒有實(shí)用價(jià)值。在工程中，將太陽能電池單體進(jìn)行串聯(lián)和并聯(lián)后，就成為太陽能電池組件。當(dāng)前實(shí)用的太陽能電池組件功率從幾瓦到幾百瓦不等，在目前并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于太陽能電池組件構(gòu)成的系統(tǒng)達(dá)不到并網(wǎng)逆變器輸入側(cè)所要求的直流電壓，一般采用DC/DC直流升壓模塊將太陽能陣列輸出的直流電壓升高達(dá)到并網(wǎng)逆變器輸入側(cè)所需要的電壓[3]。

1 DC/DC升壓

DC/DC升壓系統(tǒng)有很多種，變換器分為非隔離型和隔離型，按照輸出是否與調(diào)整元件（開關(guān)器件）等構(gòu)成的其它部分是否隔離來區(qū)分。隔離型變換器具有升壓范圍寬，工作安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但由于采用了變壓器，從而導(dǎo)致成本升高，體積大，工藝復(fù)雜，能耗高；因此本系統(tǒng)采用非隔離型Boost電路進(jìn)行升壓。

1.1 Boost電路參數(shù)設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)見圖1。

1.2 Boost電路工作原理

則輸入電壓Vo和輸出電壓Vi之間的關(guān)系式為：

假設(shè)為理想電路沒有任何損耗，即：

其中：P——Boost電路輸入功率；

0——Boost輸出功率；

I——Boost輸入電流平均值；

0——Boost輸出電流平均值。

則由式(5)、(6)、(7)、(8)可得：

其中Iin是Boost電路電感上的平均電流，因此可得：

將式(12)、(13)代入式(11)可得：

聯(lián)立式(5)、(8)、(10)、(14)、(15)可得：

設(shè)：

為保證額定情況下滿足紋波電流的要求，因此必須使：

以上是Boost電路電感的確定方法[5]。

考慮成本和體積故取=1.8 mH。

電容電壓和電流的基本關(guān)系式為：

將式(1-7)代入式(1-22)可得：

電力中輸出電壓的紋波越小越好，為了在額定情況下使輸出電壓滿足紋波要求，因此，就必須使得實(shí)際所選擇的電容滿足如下關(guān)系：

所以取350μF。

2光伏系統(tǒng)MPPT控制

2.1太陽能電池特性

太陽能電池是用半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)制成的，光伏效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料吸收光能后能轉(zhuǎn)化為電能產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象。太陽能電池的基本特性和半導(dǎo)體二極管類似，當(dāng)半導(dǎo)體材料吸收光能后，由光子激發(fā)出的電子和空穴經(jīng)過分離就會產(chǎn)生電動勢[6]。太陽能電池是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，單體不作為電源使用，將太陽能電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝就成為太陽能電池組件，眾多太陽電池組件按需求再進(jìn)行串并聯(lián)后就可形成太陽能電池陣列[7]。太陽能電池的等效電路圖如下圖3所示：

則可得太陽能電池的I-V特性曲線方程如下：

各參數(shù)代表的意思如下：—輸出電流（A）；—輸出電壓（V）；I—光電流（A）；I—二極管反向飽和電流（A）；—等效并聯(lián)電阻（）；R—等效串聯(lián)電阻（）；

由公式（27），可畫出太陽能電池的I-V特性曲線，P-V特性曲線如下圖4：為在一定光照強(qiáng)度和溫度下最大功率點(diǎn)輸出功率[8]。太陽能電池的方程是表示在某一確定的日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流的特定關(guān)系，從圖4中I-V特性曲線上可以看出：太陽能電池非恒壓源，也非恒流源，它不能為負(fù)載提供任意大小的功率，是一種非線性直流電源系統(tǒng)[9]。

2.2 MPPT爬山法

爬山法也叫擾動觀察法，其控制原理是電壓的變化始終是讓光伏電池的輸出功率向更大的方向改變[10]。爬山法的本質(zhì)是一個自尋最大點(diǎn)的過程，系統(tǒng)通過檢測當(dāng)前光伏陣列的輸出電壓與輸出電流，計(jì)算出當(dāng)前的輸出功率；然后再給系統(tǒng)一個擾動量，測出擾動后陣列的輸出電壓和輸出電流進(jìn)而計(jì)算出擾動后時刻的輸出功率，并與未擾動前的輸出功率進(jìn)行比較，若功率增加，則按照剛才的擾動方式繼續(xù)進(jìn)行，假如功率減小，則按照與原來擾動方式相反的方式進(jìn)行擾動，如此循環(huán)的進(jìn)行下去，最后讓光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近[11]。爬山法的原理示意圖如圖5所示。

計(jì)算機(jī)比較V2、V1，當(dāng)V2>V1時，且P2>P1，則由圖5說明光伏電池陣列工作在上坡段，則需要使輸出電壓變大，從而從圖5中曲線左側(cè)向最大功率點(diǎn)Pm靠近：相反若V2>V1，且P2

3仿真實(shí)驗(yàn)

Boost電路進(jìn)行matlab/simulink仿真和具體實(shí)驗(yàn)近[14]，如下圖7所示。

從仿真圖8、圖9、圖10的結(jié)果和我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出占空比為60%、40%與30%的時候都可以達(dá)到系統(tǒng)所需要的輸入直流電壓值，所以本電路設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇符合要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)論

本文首先太陽能電池特性進(jìn)行了分析介紹，其次對Boost電路的元器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)；并用matlab/simulink軟件進(jìn)行了仿真；達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。然后，對MPPT的基本理論進(jìn)行了介紹。

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Design of Photovoltaic System Based on Boost Voltage and MPPT

Ma Xiongcang, Xiong Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM743

A

1003-4862（2016）05-0012-04

2016-01-09

馬雄倉(1982-), 男，碩士, 工程師。研究方向：電力電子技術(shù)。