基于电流馈入型半桥变换器光伏阵列MPPT仿真

2017-12-15史永胜王雪丽

实验室研究与探索 2017年11期

关键词：电导增量电池

史永胜，李娜，王雪丽

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安 710021)

·专题研讨—虚拟仿真实验(51)·

基于电流馈入型半桥变换器光伏阵列MPPT仿真

史永胜，李娜，王雪丽

(陕西科技大学电气与信息工程学院，西安 710021)

针对目前光伏阵列前级DC/DC变换器效率低的问题，采用了一种基于电流馈入型半桥变换器的电导增量法的方案，通过运用电流馈入型半桥变换器实现电气隔离和零电流，同时可以实现较大的电压增益并且实时追踪太阳能光伏的最大功率点。利用Matlab/Simulink仿真软件，建立了光伏阵列的仿真模型，并根据仿真结果验证了所建模型的正确性；分析了最大功率跟踪(MPPT)实现的方法即选用电导增量法来实现，并搭建了MPPT模型；建立了基于电流馈入型半桥变换器的MPPT仿真模型，并对其在标准条件及外界温度、光照变化时做了详细的仿真，根据仿真结果可以验证电流馈入型半桥可以高效率的实现对最大功率的跟踪控制。

电流馈入型半桥变换器；电导增量法；光伏阵列

0 引言

在光伏发电系统中，光伏阵列输出特性具有非线性特性，其输出受光照强度、环境温度和负载情况等因素的影响。在一定的光照强度和环境温度等条件下，光伏电池可工作在不同的输出电压。只有在某一输出电压值时，光伏电池输出的功率才能达到最大。作为有限的功率源，为提高光伏电池的利用率，提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，而调整光伏电池工作点的任务就是由光伏发电系统中的电能变换系统来具体完成的。因此，一个性能优良的光伏发电系统，其电能变换电路必须具备最大功率点跟踪(MPPT)功能[1-2]。

电导增量法是一种得到广泛研究和应用的MPPT方法，而传统的基于电导增量法的控制策略方案一般采用的是BOOST电路[3-5]。BOOST变换器是非隔离拓扑，而且大电流工作时其转换效率低。而本文所采用的电流馈入型变换器，既能实现电气隔离，又能实现软开关，可以提供较高的电压增益[6-8]，提高系统的工作效率。

因此，本文根据光伏电池最大输出功率与光照度的关系，建立了基于电流馈入型半桥变换器的MPPT仿真模型，采用电导增量法，通过调整DC-DC变换器的占空比实现了最大功率跟踪。

1 光伏电池的模型

如图1是光照下太阳能光伏电池的实际等效电路，图中考虑了太阳光伏电池本身电阻对其特性的影响[9-11]。根据电路图，可以得到输出电流为：

(1)

式中:I为稳定状态下的输出电流；U为输出电压；IL为光生电流；ID为电池P-N结在无光照时的反向饱和电流，单位为A；q为电子电荷，1.6×10-19C；K为玻尔兹曼常数1.38×10-38J/K；T为热力学温度；Rs为串联电阻；Rsh为旁漏电阻。

图1 太阳能光伏电池的实际等效电路

设在某光照条件下，光伏电池的开路电压和短路电流分别为Uoc和Isc，则上式可简化为：

(2)

其中：

根据上述的数学模型，本文基于Matlab建立了光伏阵列的模型[12]。仿真用的光伏组Isc=7.44 A,Uoc=35.4 V和Im=6.94 A，Um=28.8 V。所得出的光伏阵列的仿真特性曲线如图2、3所示。

从图2和图3可以看出，在光照强度和温度一定时，每一个P-U特性曲线都有一个最大值，这就是光伏阵列的最大功率点。温度恒定时，光照强度越大，输出功率越大。在光照强度一定时，温度上升，光伏电池的输出功率会减小，因此工作环境的温度会直接影响到光伏电池的效率。

2 最大功率点跟踪

在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池内部特性有关外，还受使用环境如辐射度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率跟踪(MPPT)技术。

2.1 电导增量法原理

电导增量法(INC)是现阶段实现最大功率点跟踪常用的自寻优类方法之一。它的原理是：电导增量法是根据光伏电池的功率P随着U变化而变化的规律出发，通过观察光伏电池的P-U曲线，对P=UI求全导数：

dP=IdU+UdI

曲线在最大功率点P对工作电压U的倒数为零。因此，在最大功率点有：

即有

当上式不成立时，可以根据该式的正负来判断系统工作在最大功率点的哪一侧：

2.2 MPPT仿真模型

图4中用零阶保持器来实现对光伏阵列输出电流和电压的采样，采样周期设为1 ms，用有记忆延迟功能的“memory”来保存本周期采样值，同时作为下一个周期的比较值输入。MPPT 算法控制信号相比较后，输入“Switch”，经过判断输出占空比的变化值。

图4 INC仿真模型

3 基于电流馈入型半桥的MPPT仿真

3.1 电流馈入型半桥变换器拓扑

在光伏发电系统中，前级DC/DC变换器可以说是整个系统中的核心部分，既要给直流母线提供合适的电压，又要实现MPPT，不对后级产生影响。因此说前级DC/DC中的隔离是很重要的。而目前应用最多的是BOOST升压电路，其结构简单，但是电路中没有隔离。反激变换器是一种在小功率电源中应用十分广泛的一种拓扑[13-14]，结构简单，开关频率较高，能实现电器隔离。但是，为了提高变换器的效率，常常需要加入软开关技术，目前，几乎所有的光伏系统中的软开关都集中在零电压(ZVS)上[15]，但是对于光伏系统来说，实现零电流(ZCS)对效率的提高更有实际性的意义。

因此，本文DC/DC变换采用的是电流馈入型半桥电路。在光伏发电系统中光伏阵列的输出电压Upv即是DC/DC电路的输入电源Uin，设电流馈入型半桥变换器的输出电压为Uo。图5为电流馈入型半桥电路。

图5 电流馈入型半桥变换器拓扑

图中，S1、S2是开关管，其占空比互补，并且存在一定的导通交叠时间；L1、L2为输入电感，Lk为变压器的漏感；Cr、Cb和Co分别为谐振电容、隔直电容和输出滤波电容；D1、D2是整流二极管。

根据文献7，忽略两个开关管的交叠导通时间和谐振过程的影响，对电感L1、L2分别利用"伏秒积平衡"原理，有：

得到：

3.2 仿真模型研究

在图6仿真模型中，光伏组件后连接电流馈入式半桥变换器。由于光伏组件的最大输出功率会随外界环境的变化而发生变化，故需要在DC/DC变换器中加入最大功率跟踪算法，目的就是使光伏发电系统中直流变换器的输出功率追踪光伏组件的最大功率，具体是通过调整DC-DC中功率开关管的控制信号的占空比，来追踪光伏系统工作输出的最大功率点，进而实现MPP控制。

(1) 光伏阵列温度变化时的仿真分析(温度变化：25 ℃～75 ℃～0 ℃；光照强度S=1 kW/m2保持不变)

(2) 光伏阵列光照强度变化时的仿真分析(光照变化：1 000～800 W/m2；温度T=25 ℃保持不变)。

(3) 温度、光照强度均发生变化时的仿真分析。当光照强度和发生如上图的变化时，电流馈入型半桥变换器的输出功率的变化如图7～9所示。通过对比图3发现，在环境变化时，通过使用电导增量法，电流馈入型半桥变换器可以高效率的实现对光伏组件的最大功率跟踪。

图6 基于电流馈入型半桥变换器的MPPT仿真模型

图7 温度变化时的光伏阵列功率曲线

图8 光照强度变化时的光伏阵列功率曲线

4 结语

根据光伏电池的等效电路，建立其物理数学模型，并应用 MATLAB 的 Simulink 工具构建光伏电池阵列的仿真模型。由仿真结果表明：光伏电池阵列模型输出基本同实际输出相似。输出电压及电流受光照强度和温度变化的影响，但在任意温度和光照强度下都存在一个最大功率输出点。应尽量使光伏电池阵列工作在该点，这样才能提高光伏电池阵列的利用率。本文以基于电流馈入式半桥电路的MPPT控制系统为研究对象，应用Simulink模块搭建了整个控制系统的仿真模型。并对其在标准条件及外界温度、光照变化时做了详细的仿真。结果表明，所建立的MPPT控制系统能在不同光照强度下准确高效地追踪光伏电池的最大功率点，使系统整体效率得到提高，因此该仿真模型具有很好的动态特性和实用性。

图9 温度和光照强度都变化时的光伏阵列功率曲线

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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