三電平Boost變換器在光伏系統(tǒng)MPPT中的應用

朱志國，劉國巍

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，淮南 232000）

隨著化石燃料價格的提升和人們對環(huán)境問題的擔憂，使得可再生清潔能源備受青睞，光伏發(fā)電被認為是能夠滿足能源需求的重要戰(zhàn)略目標。光伏發(fā)電涉及的技術(shù)問題已經(jīng)受到國內(nèi)外研究者的重視，并且不斷地提出新的解決方案。輻照度、負載大小和環(huán)境溫度等因素影響光伏電池的輸出特性，因此有必要對光伏電池典型的非線性特點問題進行深入研究。

為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，最大功率點跟蹤 MPPT（maximum power point tracking）的研究具有十分重要的意義[1-3]。目前，國內(nèi)外學者提出了一些MPPT算法：模糊控制法、電導增量法、恒壓法、擾動觀察法、滯環(huán)比較法和神經(jīng)網(wǎng)絡法[4]。在此采用了控制方法相對簡單，能夠連續(xù)搜索最大功率點MPP的擾動觀察法來實現(xiàn)MPPT。由于光伏陣列輸出的電壓值較低，為了得到更高的電壓，同時解決高壓應力值問題，文中采用了三電平Boost變換器作為拓撲結(jié)構(gòu)。

然而，輸出電容受到電壓波動的影響，容易導致電容器和開關(guān)器件的損壞，為了實現(xiàn)電容電壓的平衡，相關(guān)研究者提出了解決方法。文獻[5]提出通過采樣電感電流，利用電感電流的谷值來調(diào)整各開關(guān)的占空比，使其能夠提供快速的瞬態(tài)響應，從而實現(xiàn)電容電壓平衡。然而，通過給出輸入電容的固定基準值，難以進行軟啟動，對于寬輸入范圍電壓，可能無法實現(xiàn)電容電壓的平衡。為此，文中提出利用相移控制來平衡輸出電容電壓，并采用占空比控制來調(diào)節(jié)輸出電壓和MPP。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與三電平Boost變換器

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將光伏電池單元塊串聯(lián)以提高輸出電壓。輸出電壓采用具有MPPT的DC-DC變換器進行調(diào)節(jié)。對輸出電壓、輸入電壓和輸入電流進行采樣，并將采樣結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)字信號處理器DSP中，以此定義MOSFET的驅(qū)動信號，使其精確地控制變換器并達到最大功率點。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Photovoltaic power system structure

方程（1）和方程（2）描述了光伏電池的理想特性。方程式表明，光伏陣列的輸出電壓和輸出電流受到環(huán)境因素的影響。

式中：Uoc為光伏陣列的開路電壓；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為電荷常數(shù)；Iph為光感電流；Io為光伏陣列反向飽和電流；I為光伏陣列輸出電流；U為光伏陣列輸出電壓。

1.2 三電平Boost變換器

三電平Boost變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。功率級由1個電感、2個MOSFET、2個二極管和2個輸出電容組成。其運行狀態(tài)分為占空比>50%和占空比＜50%。

圖2 三電平Boost變換器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology structure of three-level boost converter

2 輸出電容電壓平衡與MPPT算法

2.1 輸出電容電壓平衡

文獻[6-7]研究了通過調(diào)整占空比來平衡電容電壓；文獻[8]研究了通過多電平電路預測控制策略平衡電容電壓；文獻[9]研究了通過對各電平電壓分層控制策略來平衡電容電壓；文獻[10]研究了通過各級電平均衡分配開關(guān)次數(shù)來平衡電容電壓。在此采用更加精確的相移控制技術(shù)來平衡輸出電容電壓。理想條件下，MOSFET Q1和Q2驅(qū)動信號的相移為180°。通過采樣輸出電壓和電容輸出的電壓實現(xiàn)相移控制，應使電容輸出的電壓等于輸出電壓的1/2。為了實現(xiàn)這一條件，在DSP中使用了一種可變相移控制。算法流程如圖3所示。

2.2 擾動觀察MPPT算法

采用擾動觀察P&O（perturbation and observation）法時，需要對光伏陣列的輸出電壓和輸出電流進行采樣，以獲得瞬時功率，光伏陣列輸出電壓值在下一個周期中會根據(jù)輸出功率的大小進行調(diào)整，連續(xù)地搜索光伏陣列的MPP。

DSP中控制器的實現(xiàn)能夠避免因增加或遞減的值過大時造成較大的振蕩。此外，處理周期值以便獲得魯棒的控制響應，同時足夠快地響應環(huán)境的變化。P&O算法的流程如圖4所示。

圖3 平衡輸出電容電壓的算法流程Fig.3 Algorithm flow chart of balancing output capacitor voltage

圖4 基于DSP的P&O算法流程Fig.4 P&O algorithm flow based on DSP

3 試驗測試過程與分析

具有MPPT的三電平Boost變換器的試驗參數(shù)為：輸出功率Po為5000 W；輸入電壓Uin為470～700 V；輸出電壓Uo為750 V；開關(guān)頻率為100 kHz；電感為 95 μH；輸出電容（C1，C2）為 950 μF。

試驗中，采用了不同的輸入電壓值 （分別為470，600，700 V），觀察該變換器在寬輸入范圍電壓下的工作情況。三電平Boost變換器的效率曲線如圖5所示。由圖可見，在相應電壓的全負荷試驗中，該變換器的效率較高：在輸入電壓為470 V時，效率最小，為98.05%；700 V時效率最大，為98.81%。

圖5 三電平Boost變換器效率曲線Fig.5 Efficiency curve of three-level boost coverter

基于MatLab/Simulink仿真，對采用的MPPT控制方法進行仿真試驗。在不同的輻照度下，最大功率點Pmpp和MPPT精度見表1。仿真試驗結(jié)果如圖6～圖9所示。由圖可見，當光照強度變化時，三電平BOOST變換器與（P&O）算法協(xié)調(diào)控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)通過輸出新的電壓和電流，能夠快速地響應環(huán)境的變化，精確地跟蹤到新的MPP。

表1 在不同的輻照度下的仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results under different irradiance

圖6 輻照度為400 W/m2時MPPT曲線Fig.6 MPPT curve with irradiance of 400 W/m2

圖7 輻照度為600 W/m2時MPPT曲線Fig.7 MPPT curve with irradiance of 600 W/m2

圖8 輻照度為800 W/m2時MPPT曲線Fig.8 MPPT curve with irradiance of 800 W/m2

4 結(jié)語

文中研究了將三電平Boost變換器應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的方法。與傳統(tǒng)的Boost變換器相比，該變換器應用在高壓場合時具有低壓應力器件要求低、電感體積小和成本降低等優(yōu)點。結(jié)果表明，該變換器在700 V輸入電壓下滿載運行時的效率可達98%，適用于在寬輸入范圍電壓下工作。三電平Boost變換器結(jié)合擾動觀察MPPT算法在動態(tài)輻照度條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率和MPPT精度得到了明顯的提高。

圖9 輻照度為1000 W/m2時MPPT曲線Fig.9 MPPT curve with irradiance of 1000 W/m2