李明， 黃禮萬(wàn)

(陽(yáng)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 陽(yáng)江 529500)

0 引 言

光伏電池具有非線性伏安特性，并且光伏電池的輸出特性受外界環(huán)境變化影響，特別受光照強(qiáng)度和溫度的影響。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)(MPPT)技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[4]。本文將Z源升壓變換器作為光伏MPPT電路的DC/DC變換器。控制電路采用改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，仿真試驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)能在光照和溫度變化時(shí)，準(zhǔn)確地進(jìn)行最大功率跟蹤。最后根據(jù)此電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于BUCK變換器的蓄電池充電器，降壓轉(zhuǎn)換器能為蓄電池充電提供恒定水平電流電壓[5]。

1 Z源升壓變換器電路分析

圖1為Z源升壓變換器原理圖，其中L1、L2、C1、C2共同組成Z源網(wǎng)絡(luò)，S為主開(kāi)關(guān)。

圖1 Z源升壓變換器拓?fù)潆娐?/p>

對(duì)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，可分為導(dǎo)通和截止兩個(gè)子時(shí)間段，假定占空比為d。在0≤t≤dT，S導(dǎo)通，其等效電路如圖2(a)所示；在dT≤t≤T,S截止, 其等效電路如圖2(b)所示。

圖2 Z源升壓變換器等效電路

2 光伏電池模塊分析

光伏電池的外特性模型，是一種非線性直流源，其單元等效電路模型可由圖3表示。

圖3 光伏電池等效電路模型

Voc為光伏電池開(kāi)路電壓，Isc為光伏電池短路電流，Vo是對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流為Io的輸出電壓:

(1)

式中:C1、C2為常數(shù)；Vm、Im是最大功率點(diǎn)電壓和電流。

任意光照強(qiáng)度和溫度下：

(2)

式中:Tref為標(biāo)準(zhǔn)條件下光伏陣列工作環(huán)境溫度，取Tref=25 ℃;Sref為溫度和光照強(qiáng)度參考值，取1 000 W/m2。a、b、c為常數(shù)，一般取a=0.002 5 ℃，b=0.5 W/m2，c=0.002 88 ℃。

選取實(shí)心板梁距支座中心h/2處斜截面進(jìn)行抗剪強(qiáng)度檢算。該橋?qū)嵭陌辶盒苯孛孀畲蠹袅M合值及斜截面極限抗剪強(qiáng)度見(jiàn)表3。

光伏電池輸出特性曲線如圖4所示，其中M為最大輸出功率輸出點(diǎn)[6]。

圖4 光伏電池的輸出特性

3 改進(jìn)電導(dǎo)增量法的MPPT控制方法

目前已有許多專(zhuān)家學(xué)者提出各種 MPPT 控制方法，本文采用改進(jìn)的電導(dǎo)增量法進(jìn)行控制。由于經(jīng)常采用開(kāi)關(guān)管的占空比的變化量作為電導(dǎo)增量法的步長(zhǎng)，而Z源升壓變換器的占空比小于0.5時(shí)就可達(dá)到很好的升壓效果，這就使得步長(zhǎng)變量的變化范圍更小，從而減少運(yùn)算量。其控制流程如圖5所示。

圖5 控制流程圖

其中step 為變步長(zhǎng)，變化的步長(zhǎng)可有效地兼顧到MPPT的快速性和穩(wěn)態(tài)性，大小由下式確定[7]:

(3)

4 Z源升壓變換器光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤電路仿真試驗(yàn)

基于上述控制方法，在PIM中搭建仿真電路如圖6所示[8-9]。

圖6 MTTP 算法仿真圖

取光伏電池給定技術(shù)參數(shù)：Uocref=24 V、Iscref=5.1 A、Umref=17.5 V和Imref=4.8 A。其中boost電路參數(shù)設(shè)置為：L1=L2=0.01 mH，C1=C2=10 μF,L3=0.2 mH，C3=400 μF,R=10 Ω，Vg=12 V, 占空比D的變化范圍為[0，0.4]。

為了研究在光照和溫度突變時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤情況，把仿真過(guò)程分為四個(gè)階段，每個(gè)階段持續(xù)0.2 s：

階段一(0～0.2 s)：1 000 W/m2,25 ℃;

階段二(0.2～0.4 s)：700 W/m2,25 ℃;

階段三(0.4～0.6 s)：1 000 W/m2,60 ℃;

階段四(0.6～0.8 s)：700 W/m2,60 ℃;

在不同階段最大功率跟蹤仿真結(jié)果如圖7所示。最后的輸出電壓仿真結(jié)果如圖8所示。

從仿真結(jié)果看，在外界條件發(fā)生突變時(shí)，最大功率跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖7 電池最大功率跟蹤

圖8 輸出電壓波形

5 設(shè)計(jì)應(yīng)用

圖9 充電控制模塊

為了使前述設(shè)計(jì)電路能應(yīng)用于蓄電池的充電系統(tǒng)，并能實(shí)現(xiàn)快速充電，減少損耗，充電時(shí)需要恒流恒壓，這樣能提高電池的壽命。從圖7可以看出，前面設(shè)計(jì)電路輸出電壓波形質(zhì)量不夠理想。PI控制很容易實(shí)現(xiàn)，并能消除穩(wěn)態(tài)誤差，本文采用PI控制的BUCK變換器作為后級(jí)充電器的降壓和穩(wěn)壓電路，其控制框圖如圖9所示[10]。

圖10 BUCK電路輸出電壓波形

設(shè)計(jì)PI控制器并在PIM中仿真得到輸出電壓波形如圖10所示。從仿真結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)PI控制的BUCK變換器能提供穩(wěn)定的電流和電壓，使充電電池充電迅速，減少損失，并增加電池的生命周期。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了Z源升壓變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，并把Z源升壓變換器應(yīng)用于光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤電路，為了研究在光照和溫度突變時(shí)最大功率點(diǎn)跟蹤情況，把仿真過(guò)程分為四個(gè)階段，采用改進(jìn)電導(dǎo)增量法的MPPT控制方法對(duì)此電路進(jìn)行控制，在PSIM中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果證實(shí)了設(shè)計(jì)電路和控制方法的正確性。為了使本電路應(yīng)用于實(shí)際，最后應(yīng)用PI控制的BUCK變換電路設(shè)計(jì)了一個(gè)充電控制器，為光伏充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)可行的方案。