三电平Boost变换器在光伏系统MPPT中的应用
2024-08-13
来源:世旅网
DOl:10.19557 ̄.cnki.1001-9944.2018.08.004 ●_·_● 电平Boost变换器在光伏系统M P PT中的应用 朱志国,刘国巍 (安徽理工大学电气与信息工程学院,淮南232000) 摘要:介绍了三电平升) ̄Boost变换器在光伏发电系统最大功率点跟踪MPPT中的研究与实 现。三电平Boost变换器与传统方法不同的是,前者通过精确的相移控制实现输出电容电压 的平衡。文中采用扰动观察MPPT算法跟踪不同辐照度条件下的最大电压。三电平Boost变 换器在宽输入范围电压为470 ̄700V时,输出电压、输出功率能够分另4达到750V和5kW。采 用数字信号处理器TMS320F28035控制MPPT。仿真结果表明,该系统的效率可达98%, MPPT平均精度可达98.6% 关键词:三电平Boost变换器;最大功率点跟踪;光伏发电系统;扰动观察法;电容电压平 衡:相移控制 中图分类号:TM615;TK513.4 文献标志码:A 文章编号:1001—9944(2018)08~0016—04 Application of Three-level Boost Converter in MPPT of Photovoltaic System ZHU Zhi.guo,LIU Guo.wei (School of Electircal and Information Engineering,Anhui University of Science and Technology,Huainan 232000,China) Abstract:This paper introduces the research and implementation of three—level boost conve ̄er in maximum power point tracking(MPPT).The characteristics of this conve ̄er include the high voltage application requires low voltage application requires low voltage application requires low voltage stress,small inductor size that leads to the reduction of cost and size and can work under a wide range of input voltage.Different from the traditional method,the output capacitance voltage is balanced by a precise phase shitf contro1.Perturbation and observation MPPT method is used to track the maximum voltage under different irradiation conditions.A 5 kW three-level boost converter with a wide range input voltage from 470 V to 700 V and a high output voltage of 750 V is realized.The MPPT control is im— plemented with a digital signal processor TMS320F28035.The simulation results show that the eficifency of the sys— tern can reach to 98%and the MPPI'average precision reaches 98.6%. Key words:three-level boost conve ̄;maximum power point tracking(MPPT);photovohaic system;perturbation and ab— servation method;capacitance voltge balance;phase shiatf control 随着化石燃料价格的提升和人们对环境问题 小和环境温度等因素影响光伏电池的输出特性,因 此有必要对光伏电池典型的非线性特点问题进行 深入研究。 的担忧,使得可再生清洁能源备受青睐,光伏发电 被认为是能够满足能源需求的重要战略目标。光伏 发电涉及的技术问题已经受到国内外研究者的重 为了提高光伏发电系统的效率.最大功率点跟 踪MPPT(maximum power point tracking)的研究具 视,并且不断地提出新的解决方案。辐照度、负载大 收稿日期:2018—05—15;修订日期:2018—06—26 作者简介:朱志国(1994一),男,硕士,研究方向为光伏发电最大功率点跟踪;刘国巍(1975一),男,博士,副教授,研究方向 为电力电子技术。 田 Automation&Instrumentaiton 2018,33(8) 有十分重要的意义【 。目前,国内外学者提出了一 些MPPT算法:模糊控制法、电导增量法、恒压法、扰 动观察法、滞环比较法和神经网络法 。在此采用了 控制方法相对简单,能够连续搜索最大功率点MPP 的扰动观察法来实现MPPT。由于光伏阵列输出的 电压值较低。为了得到更高的电压,同时解决高压 应力值问题,文中采用了三电平Boost变换器作为 拓扑结构。 然而,输出电容受到电压波动的影响,容易导 致电容器和开关器件的损坏,为了实现电容电压的 平衡,相关研究者提出了解决方法。文献[5】提出通 过采样电感电流。利用电感电流的谷值来调整各开 关的占空比,使其能够提供快速的瞬态响应,从而 实现电容电压平衡。然而,通过给出输入电容的固 定基准值,难以进行软启动,对于宽输入范围电压, 可能无法实现电容电压的平衡。为此,文中提出利 用相移控制来平衡输出电容电压,并采用占空比控 制来调节输出电压和MPP。 1 系统结构与三电平Boost变换器 1.1 系统结构 光伏发电系统结构如图1所示。将光伏电池单 元块串联以提高输出电压。输出电压采用具有 MPPT的DC.DC变换器进行调节。对输出电压、输 入电压和输入电流进行采样,并将采样结果传输到 数字信号处理器DSP中,以此定义MOSFET的驱动 信号。使其精确地控制变换器并达到最大功率点。 输出电压 750V 输 国 审m 蓁曩 1. 嚣I土i. PWM 信号 I----------—----__J 图1 光伏发电系统结构 Fig.1 Photovoltaic power system structure 方程(1)和方程(2)描述了光伏电池的理想特 性。方程式表明,光伏阵列的输出电压和输出电流 受到环境因素的影响。 自动化与仪表2018,33(8、 口 \In( + 1 1。 / (1) h一,0(。静一1 J (2) 式中: 。为光伏阵列的开路电压;k为玻尔兹曼常 数;T为绝对温度;q为电荷常数;,ph为光感电流;,n 为光伏阵列反向饱和电流;,为光伏阵列输出电流; 为光伏阵列输出电压。 1.2三电平Boost变换器 三电平Boost变换器的拓扑结构如图2所示。 功率级由1个电感、2个MOSFET、2个二极管和2 个输出电容组成。其运行状态分为占空tL>50%和占 空1:t<50%。 图2三电平Boost变换器的拓扑结构 Fig.2 Topology structure of three—level boost converter 2输出电容电压平衡与MPPT算法 2.1 输出电容电压平衡 文献『6—71研究了通过调整占空比来平衡电容 电压;文献【8]研究了通过多电平电路预测控制策略 平衡电容电压;文献[9]研究了通过对各电平电压分 层控制策略来平衡电容电压;文献[1O]研究了通过 各级电平均衡分配开关次数来平衡电容电压。在此 采用更加精确的相移控制技术来平衡输出电容电 压。理想条件下,MOSFET Q。和Q:驱动信号的相移 为180。。通过采样输出电压和电容输出的电压实现 相移控制,应使电容输出的电压等于输出电压的1/ 2。为了实现这一条件,在DSP中使用了一种可变相 移控制。算法流程如图3所示。 2.2扰动观察MPPT算法 采用扰动观察P&O(perturbation and observa. tion)法时,需要对光伏阵列的输出电压和输出电流 进行采样,以获得瞬时功率,光伏阵列输出电压值 在下一个周期中会根据输出功率的大小进行调整. 连续地搜索光伏阵列的MPP。 DSP中控制器的实现能够避免因增加或递减的 值过大时造成较大的振荡。此外,处理周期值以便 囫 图3平衡输出电容电压的算法流程 Fig.3 Algorithm flow chart of balancing output capacitor voltage 获得鲁棒的控制响应,同时足够快地响应环境的变 化。P&O算法的流程如图4所示。 图4基于DSP的P&O算法流程 Fig.4 P&O algorithm flow based on DSP 3试验测试过程与分析 具有MPPT的三电平Boost变换器的试验参数 为:输出功率 为5000 W;输入电压 为470~ 700 V;输出电压 为750 V;开关频率为100 kHz: 电感为95 H;输出电容(C。,C2)为950 F。 试验中,采用了不同的输入电压值(分别为 470,600,700 V),观察该变换器在宽输入范围电压 下的工作情况。三电平Boost变换器的效率曲线如 图5所示。由图可见,在相应电压的全负荷试验中, 该变换器的效率较高:在输入电压为470 V时,效率 最小,为98.O5%;700 V时效率最大,为98.81%。 田 输入电压U, , 图5三电平Boost变换器效率曲线 Fig.5 Efficiency curve of three-level boost coverter 基于MatLab/Simulink仿真,对采用的MPPT控 制方法进行仿真试验。在不同的辐照度下.最大功 率点Pmp 和MPPT精度见表l。仿真试验结果如图 6 图9所示。由图可见,当光照强度变化时,三电平 BOOST变换器与(P&O)算法协调控制的光伏发电 系统通过输出新的电压和电流,能够快速地响应环 境的变化,精确地跟踪到新的MPP。 表1 在不同的辐照度下的仿真结果 Tab。1 Simulation results under diferent irradiance 2.5 1.0 0‘ .j\ U (a)l-U关系 1 11 / / \ 墓 / / | 一/- / \ U/V (b)P-U关系 图6辐照度为400W/m 时MPPT曲线 Fig.6 MPPT curve with irradiance of 400 W,m ^\\ U (a)l-U关系 i/,一 墓 / / / / / l \ U 、 l j \ U/V (b)P-U关系 (a)/-U关系 图7辐照度为600W/m0时MPPT曲线 Fig.7 MPPT curve with irradiance of 600 W/m / / 、 / 、\\ 、 。/ / ,V \ f } } 、 ≤ \ (b)p-U关系 图9辐照度为1000 W/m 时MPPT曲线 U (a)/-U关系 Fig.9 MPPT curve with irradiance of 1 000 W/m 参考文献: / / I | \ 【1】石季英,凌乐陶,薛飞,等.基于自适应种群粒子群的光伏全局 MPPT研究fJ].电力电子技术,2017,51(5):27—30. 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