用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的DC-DC變換器的設(shè)計

張 瑩 佘 炎 姜建國 趙劍飛

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030）

0 引言

現(xiàn)階段國內(nèi)外的光伏逆變系統(tǒng)中，根據(jù)有無隔離變壓器，可以分為隔離型和非隔離型。隔離型系統(tǒng)中，接入工頻隔離變壓器的結(jié)構(gòu)是最常用的。這種結(jié)構(gòu)雖然安全性能高，但變頻器笨重，無法實現(xiàn)最大功率點的跟蹤，而且對輸入電壓的范圍有限制。采用不隔離的DC-DC變換器不但可以使輸入電壓升高，滿足后級逆變器的要求，而且可以達到很高的效率，也可以方便地實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。

本研究主要介紹光伏系統(tǒng)中的DC-DC變換器的設(shè)計。通過介紹Boost電路的工作原理，進行仿真實驗，在此基礎(chǔ)上，給出詳細的電路參數(shù)和驅(qū)動電路、控制電路的設(shè)計方案，最后通過實驗驗證設(shè)計的正確性。

圖2 光伏電池仿真模型

1 太陽能電池的伏安特性分析

為了了解光伏電池工作過程，以及影響光伏電池工作效能的因素，必須通過等效電路模擬來進行分析，我們可以用一個電流源并聯(lián)上一個二極管的電路來表征電源的輸出特性，圖1為光伏電池板等效電路圖[1]:

圖1 光伏電池的等效電路

圖3 負載R的仿真模型

圖4 輸入電壓仿真模型

其中Iph表示光伏電池板由光照射后產(chǎn)生的電流，Dj表示一個P-N接面的二極管，Rsh和Rs則表示材料內(nèi)部的等效并聯(lián)和串聯(lián)電阻，通常一般在分析時Rsh的值很大，而Rs的值很小，因此為了簡化分析過程，可將Rsh和Rs忽略不計。Ro表示外界負載，I、V則表示光伏電池板輸出電流及電壓。

根據(jù)光伏電池的等效電路圖，利用Matlab/simulink仿真中的電源系統(tǒng)工具庫（Power System Blockset）建立光伏電池的仿真模型，如圖2所示，開路電壓為200V，短路電流為10A，負載為0～1000Ω。

仿真結(jié)果如圖5所示:

由仿真結(jié)果可以看出:在光輻射恒定的條件下，開始光伏電池的輸出電流幾乎不變，輸出功率不斷增加。當(dāng)電池電壓增加到一定值時，輸出電流開始變小，輸出功率達到一個最大值Pm，即最大功率點，之后隨著電池電壓的升高，輸出電流和功率都不斷變小，最后輸出電流減為0，輸出電壓達到最大值即開路電壓Voc。說明存在一個端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，為光伏電源控制方法的改進提供了途徑。

2 DC-DC轉(zhuǎn)換器的選擇以及仿真

DC-DC轉(zhuǎn)換電路 （也稱為斬波電路或斬波器）在直流電源和負載之間，通過控制電壓的方法將不控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路，被廣泛應(yīng)用于開關(guān)電源、逆變系統(tǒng)和用直流電動機驅(qū)動的設(shè)備中[2]。

2.1 基于DC/DC變換器MPPT實現(xiàn)原理

由于太陽能電池的輸出I-V曲線是固定的，相對于不同的工作點，太陽電池有不同的輸出。即通過調(diào)整場效應(yīng)管的占空比來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換電路的等效電阻，實現(xiàn)對太陽能輸出電壓的調(diào)節(jié)也是通過調(diào)整開關(guān)的占空比。這樣，只要調(diào)整開關(guān)的占空比，就可以實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換電路的兩個功能。

DC-DC轉(zhuǎn)換電路主要由主回路和控制回路兩部分組成。按照輸入輸出電壓的大小，DC-DC電路可分為:降壓型變換器，升壓型變換器，升降壓型變換器。

圖5 光伏電池I-V曲線

在本文中，由于光伏電池的輸出電壓比較小，而實際并網(wǎng)或使用中電壓較高，因此本系統(tǒng)采用Boost轉(zhuǎn)換電路，使輸出電壓高于輸入電壓。而且Boost轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)和控制都較為簡單，具有較高的效率。

2.2 電路仿真模型及結(jié)果分析

利用Matlab/Simulink仿真中的電源系統(tǒng)工具庫（Power System Block set）建立Boost電路的仿真模型。如圖10中所搭建的是Boost電路的仿真模型，仿真設(shè)計的參數(shù)如下:輸入電壓100～200V，輸出電壓360V，輸出最大功率1000W，輸出電壓紋波最大為20V。

仿真輸出電壓波形如下:

根據(jù)項目要求的說明太陽能電池陣列輸入電壓在100～200V之間，輸出電壓為360V。該模塊的主要功能是通過控制Q的開關(guān)信號，即通過調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的占空比來保證輸出電壓穩(wěn)定在360V左右。在仿真中我們得到電壓和電感電流的誤差信號，經(jīng)過一個增量型PID環(huán)節(jié)構(gòu)成電壓環(huán)和電流環(huán)，經(jīng)過PID調(diào)節(jié)輸出量，從而實時改變觸發(fā)脈沖寬度的大小實現(xiàn)變換器輸出穩(wěn)壓功能。

圖6 光伏電池P-V曲線

圖8 DC/DC升壓Boost電路的仿真模型

圖9 封裝子系統(tǒng)Subsystem仿真模型

圖10 仿真輸出的電壓波形

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功率電路的設(shè)計

Boost變換器是由功率晶體管IGBT，升壓電感L，快恢復(fù)二極管D以及電解電容C組成。

常見的Boost電路設(shè)計時應(yīng)該首先知道輸入直流電壓的額定值及變化范圍，輸出電壓、輸出電流的最大和最小值，另外還需要知道輸出電壓的穩(wěn)定度和紋波電壓要求等[4]。本設(shè)計中，輸入電壓在100～200V，輸出電壓穩(wěn)定在360V，最大輸出紋波值為20V，可計算得到L≥0.26mH，本實驗中采用0.3mH。

可計算得到C≥1800uF，本實驗中采用2200uF。

另外，此系統(tǒng)選用的2MB175－120型IGBT和40CpQo6O快恢復(fù)二極管。

3.2 驅(qū)動電路的設(shè)計

驅(qū)動電路的目的在于隔離并放大有ATmega16所產(chǎn)生的PWM信號，并讓此控制信號足夠驅(qū)動IGBT可靠的導(dǎo)通和截止。設(shè)計中采用光電耦合器作為脈沖的隔離驅(qū)動電路。實現(xiàn)光電耦合的基本器件是光電耦合器，本設(shè)計采用的光電耦合器選用芯片HCPL-3140/HCPL-0314。設(shè)計IGBT隔離驅(qū)動電路如下所示。

3.3 控制電路設(shè)計

DC-DC轉(zhuǎn)換電路的輸出是電壓，而光伏電池的輸出電流、電壓隨著周圍環(huán)境的變化而變化，因此必須對這兩個參數(shù)進行檢測，進行A/D轉(zhuǎn)換后，微處理器對其進行分析，實現(xiàn)對DC-DC轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)器件進行控制，從而實現(xiàn)最大功率跟蹤。對DC-DC轉(zhuǎn)換電路的開關(guān)器件進行控制主要采用PWM技術(shù)（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）。

ATmega16是具有16KB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH的8位AVR微控制器。該控制器具有10路AD轉(zhuǎn)換口，電流電壓檢測得到 IADC、VADC1、VADC2供軟件程序調(diào)用。PC程序根據(jù)算法確定系統(tǒng)是否工作于最大功率點上，若否，PC通過相應(yīng)算法決策改變PWM信號的占空比，使系統(tǒng)工作點始終跟隨光伏電池最大功率點的變化而變化。

圖13 實驗圖

圖14 輸出電壓和驅(qū)動脈沖的波形

圖11 IGBT隔離驅(qū)動電路

圖12 控制電路的設(shè)計

4 實驗結(jié)果與分析

使用一個300V穩(wěn)壓電源和一個1000Ω的電阻進行模擬，把穩(wěn)壓源和電阻串聯(lián)起來，組成一個線性電源，理想情況下最大功率點在150V處。

此系統(tǒng)輸入電壓為100～200V，輸入功率1000W，經(jīng)Boost升壓電路轉(zhuǎn)換后供給負載，改變PWM信號占空比，輸出電壓由圖15可知恒定在360V左右，占空比為93.3%，輸出電流為2.7A，效率為 97.5% 。

實驗結(jié)果表明，通過器件的選擇、IGBT驅(qū)動電路和DC-DC電路的設(shè)計，控制DC-DC變換器內(nèi)部開關(guān)管的占空比可以準(zhǔn)確有效快速地控制光伏電池的輸出電壓。該實驗有效地驗證了DC-DC恒電壓控制的性能，提高了系統(tǒng)的快速性和高效性。

5 結(jié)論

在不同的最大功率點跟蹤的方法中，DC-DC轉(zhuǎn)換電路方法簡單，實用性強，效率高。目前最大功率點跟蹤技術(shù)一般用在較大的光伏系統(tǒng)或電站。光伏陣列最大功率點跟蹤技術(shù)的實現(xiàn)方法的簡化以及跟蹤速度和精度的提高將來必然是發(fā)展趨勢。

[1]趙庚申，王慶章.最大功率跟蹤控制在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].光電子.激光，2003，14（8）:813～816

[2]王慶章.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制方法研究[J].南開大學(xué)學(xué)報，2005，38（6）:74～77

[3]Hua Chihchiang，Shen Chihming.Control 0f DC/DC converters for So1ar energy system with maximum power tracking.1997.IEC0N97.23rd Internationa1 Conference on Industrial E1ectronics，Control and Instrumentation，1997，2，827 ～ 832

[4]N.Femi a，G.Petrone，G.Spagnuolo，M.Vitelli.Optimizing Duty-cycle Perturbation 0f P＆O MPPT Technique.35th Annual IEEE P0wer E1ectronics Specialists Conference，Germany，2004，1939 ～ 1944