史永勝， 李 娜， 王雪麗

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 西安 710021)

·專題研討—虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(51)·

基于電流饋入型半橋變換器光伏陣列MPPT仿真

史永勝， 李 娜， 王雪麗

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 西安 710021)

針對(duì)目前光伏陣列前級(jí)DC/DC變換器效率低的問題，采用了一種基于電流饋入型半橋變換器的電導(dǎo)增量法的方案，通過運(yùn)用電流饋入型半橋變換器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和零電流，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)較大的電壓增益并且實(shí)時(shí)追蹤太陽能光伏的最大功率點(diǎn)。利用Matlab/Simulink仿真軟件，建立了光伏陣列的仿真模型，并根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建模型的正確性；分析了最大功率跟蹤(MPPT)實(shí)現(xiàn)的方法即選用電導(dǎo)增量法來實(shí)現(xiàn)，并搭建了MPPT模型；建立了基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型，并對(duì)其在標(biāo)準(zhǔn)條件及外界溫度、光照變化時(shí)做了詳細(xì)的仿真，根據(jù)仿真結(jié)果可以驗(yàn)證電流饋入型半橋可以高效率的實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率的跟蹤控制。

電流饋入型半橋變換器； 電導(dǎo)增量法； 光伏陣列

0 引 言

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏陣列輸出特性具有非線性特性，其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況等因素的影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度等條件下，光伏電池可工作在不同的輸出電壓。只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池輸出的功率才能達(dá)到最大。作為有限的功率源，為提高光伏電池的利用率，提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，而調(diào)整光伏電池工作點(diǎn)的任務(wù)就是由光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能變換系統(tǒng)來具體完成的。因此，一個(gè)性能優(yōu)良的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其電能變換電路必須具備最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)功能[1-2]。

電導(dǎo)增量法是一種得到廣泛研究和應(yīng)用的MPPT方法，而傳統(tǒng)的基于電導(dǎo)增量法的控制策略方案一般采用的是BOOST電路[3-5]。BOOST變換器是非隔離拓?fù)?，而且大電流工作時(shí)其轉(zhuǎn)換效率低。而本文所采用的電流饋入型變換器，既能實(shí)現(xiàn)電氣隔離，又能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，可以提供較高的電壓增益[6-8]，提高系統(tǒng)的工作效率。

因此，本文根據(jù)光伏電池最大輸出功率與光照度的關(guān)系，建立了基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型，采用電導(dǎo)增量法，通過調(diào)整DC-DC變換器的占空比實(shí)現(xiàn)了最大功率跟蹤。

1 光伏電池的模型

如圖1是光照下太陽能光伏電池的實(shí)際等效電路，圖中考慮了太陽光伏電池本身電阻對(duì)其特性的影響[9-11]。根據(jù)電路圖，可以得到輸出電流為：

(1)

式中:I為穩(wěn)定狀態(tài)下的輸出電流；U為輸出電壓；IL為光生電流；ID為電池P-N結(jié)在無光照時(shí)的反向飽和電流，單位為A；q為電子電荷，1.6×10-19C；K為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-38J/K；T為熱力學(xué)溫度；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為旁漏電阻。

圖1 太陽能光伏電池的實(shí)際等效電路

設(shè)在某光照條件下，光伏電池的開路電壓和短路電流分別為Uoc和Isc，則上式可簡(jiǎn)化為：

(2)

其中：

根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型，本文基于Matlab建立了光伏陣列的模型[12]。仿真用的光伏組Isc=7.44 A,Uoc=35.4 V和Im=6.94 A，Um=28.8 V。所得出的光伏陣列的仿真特性曲線如圖2、3所示。

從圖2和圖3可以看出，在光照強(qiáng)度和溫度一定時(shí)，每一個(gè)P-U特性曲線都有一個(gè)最大值，這就是光伏陣列的最大功率點(diǎn)。溫度恒定時(shí)，光照強(qiáng)度越大，輸出功率越大。在光照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度上升，光伏電池的輸出功率會(huì)減小，因此工作環(huán)境的溫度會(huì)直接影響到光伏電池的效率。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境如輻射度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。因此，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能。利用控制方法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出運(yùn)行的技術(shù)被稱為最大功率跟蹤(MPPT)技術(shù)。

2.1 電導(dǎo)增量法原理

電導(dǎo)增量法(INC)是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤常用的自尋優(yōu)類方法之一。它的原理是：電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏電池的功率P隨著U變化而變化的規(guī)律出發(fā)，通過觀察光伏電池的P-U曲線，對(duì)P=UI求全導(dǎo)數(shù)：

dP=IdU+UdI

曲線在最大功率點(diǎn)P對(duì)工作電壓U的倒數(shù)為零。因此，在最大功率點(diǎn)有：

即有

當(dāng)上式不成立時(shí)，可以根據(jù)該式的正負(fù)來判斷系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)的哪一側(cè)：

2.2 MPPT仿真模型

圖4中用零階保持器來實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏陣列輸出電流和電壓的采樣，采樣周期設(shè)為1 ms，用有記憶延遲功能的“memory”來保存本周期采樣值，同時(shí)作為下一個(gè)周期的比較值輸入。MPPT 算法控制信號(hào)相比較后，輸入“Switch”，經(jīng)過判斷輸出占空比的變化值。

圖4 INC仿真模型

3 基于電流饋入型半橋的MPPT仿真

3.1 電流饋入型半橋變換器拓?fù)?/h3>

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，前級(jí)DC/DC變換器可以說是整個(gè)系統(tǒng)中的核心部分，既要給直流母線提供合適的電壓，又要實(shí)現(xiàn)MPPT，不對(duì)后級(jí)產(chǎn)生影響。因此說前級(jí)DC/DC中的隔離是很重要的。而目前應(yīng)用最多的是BOOST升壓電路，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是電路中沒有隔離。反激變換器是一種在小功率電源中應(yīng)用十分廣泛的一種拓?fù)鋄13-14]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開關(guān)頻率較高，能實(shí)現(xiàn)電器隔離。但是，為了提高變換器的效率，常常需要加入軟開關(guān)技術(shù)，目前，幾乎所有的光伏系統(tǒng)中的軟開關(guān)都集中在零電壓(ZVS)上[15]，但是對(duì)于光伏系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)零電流(ZCS)對(duì)效率的提高更有實(shí)際性的意義。

因此，本文DC/DC變換采用的是電流饋入型半橋電路。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏陣列的輸出電壓Upv即是DC/DC電路的輸入電源Uin，設(shè)電流饋入型半橋變換器的輸出電壓為Uo。圖5為電流饋入型半橋電路。

圖5 電流饋入型半橋變換器拓?fù)?/p>

圖中，S1、S2是開關(guān)管，其占空比互補(bǔ)，并且存在一定的導(dǎo)通交疊時(shí)間；L1、L2為輸入電感，Lk為變壓器的漏感；Cr、Cb和Co分別為諧振電容、隔直電容和輸出濾波電容；D1、D2是整流二極管。

根據(jù)文獻(xiàn)7，忽略兩個(gè)開關(guān)管的交疊導(dǎo)通時(shí)間和諧振過程的影響，對(duì)電感L1、L2分別利用"伏秒積平衡"原理，有：

得到：

3.2 仿真模型研究

在圖6仿真模型中，光伏組件后連接電流饋入式半橋變換器。由于光伏組件的最大輸出功率會(huì)隨外界環(huán)境的變化而發(fā)生變化，故需要在DC/DC變換器中加入最大功率跟蹤算法，目的就是使光伏發(fā)電系統(tǒng)中直流變換器的輸出功率追蹤光伏組件的最大功率，具體是通過調(diào)整DC-DC中功率開關(guān)管的控制信號(hào)的占空比，來追蹤光伏系統(tǒng)工作輸出的最大功率點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)MPP控制。

(1) 光伏陣列溫度變化時(shí)的仿真分析(溫度變化：25 ℃～75 ℃～0 ℃；光照強(qiáng)度S=1 kW/m2保持不變)

(2) 光伏陣列光照強(qiáng)度變化時(shí)的仿真分析(光照變化：1 000～800 W/m2；溫度T=25 ℃保持不變)。

(3) 溫度、光照強(qiáng)度均發(fā)生變化時(shí)的仿真分析。當(dāng)光照強(qiáng)度和發(fā)生如上圖的變化時(shí)，電流饋入型半橋變換器的輸出功率的變化如圖7～9所示。通過對(duì)比圖3發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境變化時(shí)，通過使用電導(dǎo)增量法，電流饋入型半橋變換器可以高效率的實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏組件的最大功率跟蹤。

圖6 基于電流饋入型半橋變換器的MPPT仿真模型

圖7 溫度變化時(shí)的光伏陣列功率曲線

圖8 光照強(qiáng)度變化時(shí)的光伏陣列功率曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)光伏電池的等效電路，建立其物理數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用 MATLAB 的 Simulink 工具構(gòu)建光伏電池陣列的仿真模型。由仿真結(jié)果表明：光伏電池陣列模型輸出基本同實(shí)際輸出相似。輸出電壓及電流受光照強(qiáng)度和溫度變化的影響，但在任意溫度和光照強(qiáng)度下都存在一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)。應(yīng)盡量使光伏電池陣列工作在該點(diǎn)，這樣才能提高光伏電池陣列的利用率。本文以基于電流饋入式半橋電路的MPPT控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，應(yīng)用Simulink模塊搭建了整個(gè)控制系統(tǒng)的仿真模型。并對(duì)其在標(biāo)準(zhǔn)條件及外界溫度、光照變化時(shí)做了詳細(xì)的仿真。結(jié)果表明，所建立的MPPT控制系統(tǒng)能在不同光照強(qiáng)度下準(zhǔn)確高效地追蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)整體效率得到提高，因此該仿真模型具有很好的動(dòng)態(tài)特性和實(shí)用性。

圖9 溫度和光照強(qiáng)度都變化時(shí)的光伏陣列功率曲線

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MPPTSimulationResearchforPhotovoltaicArrayBasedontheCurrentFedHalfBridgeConverter

SHIYongsheng，LINa，WANGXueli

(College of Electrical and Information Engineering， Shanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021， China)

Aiming at the low efficiency of the current DC/DC converter of PV array, this paper presents a scheme of incremental conductance based on the current fed half bridge converter that can achieve electrical isolation and ZCS. At the same time, it can realize larger voltage gain and track solar photovoltaic maximum power point．First of all，the simulation model of PV array is established by Matlab / Simulink simulation software，and the correctness of the model is verified according to the simulation results. Secondly, the method of maximum power tracking (MPPT) is analyzed. And the MPPT model is built. Finally, the MPPT simulation model based on the current fed half-bridge converter is established and its simulation is carried out under the standard condition and the changes of environmental temperature and illumination. According to the simulation results, current-fed half-bridge can achieve high-efficiency tracking control of maximum power.

current-fed-half-bridge converter； incremental conductance； photovoltaic array

TM 615

A

1006-7167(2017)11-0094-04

2017-01-12

陜西省工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GYM73)

史永勝(1964-)，男，陜西西安人，教授，研究生導(dǎo)師，主要研究方向：特種電源和先進(jìn)光電器件。

Tel.:13720758687; E-mail.:375743980@qq.com