基于boost電路和Fibonacci-MPPT方法的設(shè)計實現(xiàn)

萬豫，崔豐，潘華君

（1.中國人民解放軍94625部隊，江蘇南京，210000； 2.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司，江蘇鎮(zhèn)江，212000）

0 引言

大家都知道，太陽能優(yōu)點很多，使其成為新能源開發(fā)的主流，而光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其效率的高低、反應(yīng)的快慢、可靠性的好壞將直接影響整個光伏系統(tǒng)的性能和投資[1-2]。為了提高太陽能利用率，光伏發(fā)電的運行普遍采用最大功率點跟蹤控制MPPT。太陽能電池其溫度和總電阻之間有復(fù)雜的關(guān)系，因此其輸出效率會有非線性的關(guān)系，可以用電流-電壓特性曲線來表示。最大功率點追蹤的目的就是在太陽能電池的輸出取様，在任意的環(huán)境條件下都設(shè)法維持最大功率輸出。其最大功率點MPPT是隨著光照和溫度變化而變化的。Boost 電路效率高、體積小，易于實現(xiàn) MPPT 控制功能。Fibonacci-MPPT算法具有搜索范圍大，處理速度較快，不受環(huán)境影響的優(yōu)點[3-4]，本文設(shè)計了一款1500w基于boost電路和Fibonacci-MPPT方法的電路裝置。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是以 STM32芯片作為控制核心，使用PB0和PB1分別采樣電流和電壓，通過PE4輸出PWM信號，然后經(jīng)過芯片IR2110處理，得到MOS管的驅(qū)動信號。主電路中太陽能電池板輸出電壓經(jīng)過電阻采樣送到STM32芯片PA1，電流通過ACS712芯片進行采樣，變成電壓信號送到STM32芯片PA2，然后經(jīng)過ARM實現(xiàn)Fibonacci-MPPT運算，得到驅(qū)動信號，送到MOS管的G極，以最大功率點處的占空比工作。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)圖

2 Boost電路設(shè)計

一塊太陽能電池為250W，采用6塊串聯(lián)組成1500W的太陽能電源。具體的設(shè)計如下：

■2.1 電感值和電容值設(shè)計

采用6塊太陽能電池并聯(lián)使用：6塊太陽能電池最低輸入電壓Vin_min=150V；最高輸入

電壓Vin_max=233.3V；最大功率點電壓Vin_mppt=180.1V；太陽能電池最大輸出

功率Pin_mppt=1500W；Boost的效率η=0.97；Boost最大輸出功率PO=η×Pin_mppt=1455W；輸出電壓VO=400V；輸出電流工作頻

率fs=60kHz；峰值電流Iin_max=8.7A；最大占空比最小占空比

電流紋波設(shè)為40%；

電感電流脈動量?Iboost=0.4×Iin_max=3.5A；電感電流的最大值IL_max=Iin_max+?Iboost/2=10.5A

■2.2 開關(guān)管和二極管的設(shè)計

電路使用60kHz的PWM信號，MOSFET對于這種頻率的PWM信號有使用優(yōu)勢，因此選用MOS管作為Boost電路的開關(guān)管。在電路中MOS管承受的最大電壓為500V，電流為20A，因此選用1個N溝道IRF460 MOS管。IRF460 MOS的主要參數(shù)為：耐壓500V，額定電流21A。BOOST電路中的二極管應(yīng)具有較低的通態(tài)壓降和快速反向恢復(fù)特性，在電路中承受最大600V的電壓和最大30A的電流，因此選用二極管的主要參數(shù)為：耐壓600V，電流為30A。

■2.3 MOS管損耗計算

選MOS管IRF460工作在80°；漏極電流ID=16A；門極電壓設(shè)為VGS=10V；

門極串聯(lián)電阻 Rg=10Ω；Ciss=4300pF ；Crss=250pF ；Coss=1000pF；

導(dǎo)通電阻為Ron=0.25Ω；門閥電壓為VTH=4V；跨導(dǎo)gfs=13S；關(guān)斷下拉電阻ROFF=0.5Ω；

假設(shè)太陽能電池板工作在最大功率點：

紋波假設(shè)為40%；

峰值電流為IO1=8.31×1.2=9.972A；谷值電流為IO2=8.31×0.8=6.648A

MOS管的漏源電壓為VDS=VO=180.6V

VDD=VDS-IDRon=176.6V

門極電壓從0增到開啟門閥值電壓前的時間：

門極電壓從開啟電壓增加到米勒開啟電壓的時間：

開通米勒電壓VGP1=VTH+IO1/gfs=4.767V

VGS處于米勒平臺的時間：

Ploss_ON=0.5fsVDDID(t2+t3)=8.495W

在關(guān)斷時刻：

關(guān)斷米勒電壓 VGP2=VTH+IO2/gfs=4.511V

開關(guān)損耗為Ploss=Ploss_ON+Ploss_OFF+PCOSS=17.764W；MOS管通過電流有效值為ILOAD=8.31A；

導(dǎo)通損耗為PDR=ILOAD2RonD=7.795W；MOS管總損耗Ploss_MOS=Ploss+PDR=25.559W；

二極管損耗為Ploss_D=ILOAD×0.7(1-D)=3.191W

總損耗為Ploss_sum=Ploss_L+Ploss_MOS+Ploss_D=43.692W

3 基于bonacci-mppt的基本原理及軟件實現(xiàn)

Fibonacci數(shù)列定義如下：

C0=0，C1=1，C2=1…Cn=Cn-2+Cn-1n≥2

Fibonacci線性搜索一般應(yīng)用在可變函數(shù)最優(yōu)化技術(shù)上。用此數(shù)列來約束迭代和搜索范圍使得最大點在搜索范圍內(nèi)。搜索轉(zhuǎn)移方向有函數(shù)范圍內(nèi)的兩點值決定的。限制和轉(zhuǎn)移如圖2所示。

圖2 Fibonacci搜索限制和轉(zhuǎn)移

在Fibonacci搜索中，第一次迭代需要選擇兩個點計算，隨后的迭代過程只要計算一個點。當(dāng)滿足|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε（δ和ε是預(yù)先給定的公差）時，搜索過程結(jié)束。

在Fibonacci搜索中，如果f(c0)≥f(d0)，那么最大點肯定在區(qū)間[a0，d0]內(nèi)，這時a1=a0，b1=d0，然后繼續(xù)在區(qū)間[a1，b1]內(nèi)搜索。如果f(c0)≤f(d0)，那么最大點肯定在區(qū)間[c0，b0]內(nèi)，這時a1=c0，b1=b0，然后繼續(xù)在區(qū)間[a1，b1]內(nèi)搜索。其中可變量與Fibonacci數(shù)列的關(guān)系見公式

下次迭代區(qū)間：

當(dāng)cn等于0或者|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε滿足時，搜索過程結(jié)束。

當(dāng)Fibonacci搜索算法在光伏陣列MPPT中應(yīng)用時，變量x可以看作是光伏陣列的電壓或者電流，或者是功率變換器的占空比D，函數(shù)f(x)則看作時輸出功率。該方法是重復(fù)限制轉(zhuǎn)移范圍使最大點在搜索范圍內(nèi)。

在此算法中，引入了一個功率校正功能即功率校正值P'(，如公式所示

公式是檢測輻射突變或者部分陰影的。

當(dāng)上式不成立，說明發(fā)生日照突變，則重新初始化并返回到初始條件下，若上式成立，則繼續(xù)搜索。其中r的取值要適中，根據(jù)經(jīng)驗取r=0.2。

初始條件為：

根據(jù)改變x的值來控制占空比，然后比較x1和x2處功率的大小，確定搜索范圍的變化[5]。

4 測試數(shù)據(jù)

測試用6塊太陽能電池板串聯(lián)進行測試，找到了最大功率點，電流為8.2A，電壓為181.2V，其最大功率為1485.4W。通過本文所設(shè)計方案可以很好的實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

5 結(jié)論

對BOOST主電路進行測試，開關(guān)管是IRF460 MOS，開關(guān)頻率是60kHz,電感是600μh，電容是1600μF，采用stm32f103系列芯片控制驅(qū)動及保護，每采樣50次后取平均值，測試環(huán)境天氣變化的時候。介紹了最大功率跟蹤的控制電路和系統(tǒng)框圖，闡明了BOOST電路各元件的參數(shù)確定方法及MOS管的開關(guān)損耗計算。MPPT的設(shè)計以Fibonacci-mppt為依據(jù)，介紹了Fibonacci-mppt的原理，特別是在溫度和光照變化時，就重新進行搜索和跟蹤，并對1500W的光伏電池進行了測試，找到了最大功率點,電流為8.2A，電壓為181.2V，其最大功率為1485.4W，此時光照強度為800W/m2。測試數(shù)據(jù)顯示Fibonacci-mppt的準(zhǔn)確性，驗證了方案的合理性和可行性。