用于光伏发电系统的DC-DC变换器的设计

张 莹 佘 炎 姜建国 赵剑飞

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

0 引言

现阶段国内外的光伏逆变系统中，根据有无隔离变压器，可以分为隔离型和非隔离型。隔离型系统中，接入工频隔离变压器的结构是最常用的。这种结构虽然安全性能高，但变频器笨重，无法实现最大功率点的跟踪，而且对输入电压的范围有限制。采用不隔离的DC-DC变换器不但可以使输入电压升高，满足后级逆变器的要求，而且可以达到很高的效率，也可以方便地实现最大功率点的跟踪。

本研究主要介绍光伏系统中的DC-DC变换器的设计。通过介绍Boost电路的工作原理，进行仿真实验，在此基础上，给出详细的电路参数和驱动电路、控制电路的设计方案，最后通过实验验证设计的正确性。

图2 光伏电池仿真模型

1 太阳能电池的伏安特性分析

为了了解光伏电池工作过程，以及影响光伏电池工作效能的因素，必须通过等效电路模拟来进行分析，我们可以用一个电流源并联上一个二极管的电路来表征电源的输出特性，图1为光伏电池板等效电路图[1]:

图1 光伏电池的等效电路

图3 负载R的仿真模型

图4 输入电压仿真模型

其中Iph表示光伏电池板由光照射后产生的电流，Dj表示一个P-N接面的二极管，Rsh和Rs则表示材料内部的等效并联和串联电阻，通常一般在分析时Rsh的值很大，而Rs的值很小，因此为了简化分析过程，可将Rsh和Rs忽略不计。Ro表示外界负载，I、V则表示光伏电池板输出电流及电压。

根据光伏电池的等效电路图，利用Matlab/simulink仿真中的电源系统工具库（Power System Blockset）建立光伏电池的仿真模型，如图2所示，开路电压为200V，短路电流为10A，负载为0～1000Ω。

仿真结果如图5所示:

由仿真结果可以看出:在光辐射恒定的条件下，开始光伏电池的输出电流几乎不变，输出功率不断增加。当电池电压增加到一定值时，输出电流开始变小，输出功率达到一个最大值Pm，即最大功率点，之后随着电池电压的升高，输出电流和功率都不断变小，最后输出电流减为0，输出电压达到最大值即开路电压Voc。说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，为光伏电源控制方法的改进提供了途径。

2 DC-DC转换器的选择以及仿真

DC-DC转换电路 （也称为斩波电路或斩波器）在直流电源和负载之间，通过控制电压的方法将不控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路，被广泛应用于开关电源、逆变系统和用直流电动机驱动的设备中[2]。

2.1 基于DC/DC变换器MPPT实现原理

由于太阳能电池的输出I-V曲线是固定的，相对于不同的工作点，太阳电池有不同的输出。即通过调整场效应管的占空比来调节转换电路的等效电阻，实现对太阳能输出电压的调节也是通过调整开关的占空比。这样，只要调整开关的占空比，就可以实现DC/DC转换电路的两个功能。

DC-DC转换电路主要由主回路和控制回路两部分组成。按照输入输出电压的大小，DC-DC电路可分为:降压型变换器，升压型变换器，升降压型变换器。

图5 光伏电池I-V曲线

在本文中，由于光伏电池的输出电压比较小，而实际并网或使用中电压较高，因此本系统采用Boost转换电路，使输出电压高于输入电压。而且Boost转换电路的结构和控制都较为简单，具有较高的效率。

2.2 电路仿真模型及结果分析

利用Matlab/Simulink仿真中的电源系统工具库（Power System Block set）建立Boost电路的仿真模型。如图10中所搭建的是Boost电路的仿真模型，仿真设计的参数如下:输入电压100～200V，输出电压360V，输出最大功率1000W，输出电压纹波最大为20V。

仿真输出电压波形如下:

根据项目要求的说明太阳能电池阵列输入电压在100～200V之间，输出电压为360V。该模块的主要功能是通过控制Q的开关信号，即通过调节场效应管的占空比来保证输出电压稳定在360V左右。在仿真中我们得到电压和电感电流的误差信号，经过一个增量型PID环节构成电压环和电流环，经过PID调节输出量，从而实时改变触发脉冲宽度的大小实现变换器输出稳压功能。

图6 光伏电池P-V曲线

图8 DC/DC升压Boost电路的仿真模型

图9 封装子系统Subsystem仿真模型

图10 仿真输出的电压波形

3 硬件系统设计

3.1 功率电路的设计

Boost变换器是由功率晶体管IGBT，升压电感L，快恢复二极管D以及电解电容C组成。

常见的Boost电路设计时应该首先知道输入直流电压的额定值及变化范围，输出电压、输出电流的最大和最小值，另外还需要知道输出电压的稳定度和纹波电压要求等[4]。本设计中，输入电压在100～200V，输出电压稳定在360V，最大输出纹波值为20V，可计算得到L≥0.26mH，本实验中采用0.3mH。

可计算得到C≥1800uF，本实验中采用2200uF。

另外，此系统选用的2MB175－120型IGBT和40CpQo6O快恢复二极管。

3.2 驱动电路的设计

驱动电路的目的在于隔离并放大有ATmega16所产生的PWM信号，并让此控制信号足够驱动IGBT可靠的导通和截止。设计中采用光电耦合器作为脉冲的隔离驱动电路。实现光电耦合的基本器件是光电耦合器，本设计采用的光电耦合器选用芯片HCPL-3140/HCPL-0314。设计IGBT隔离驱动电路如下所示。

3.3 控制电路设计

DC-DC转换电路的输出是电压，而光伏电池的输出电流、电压随着周围环境的变化而变化，因此必须对这两个参数进行检测，进行A/D转换后，微处理器对其进行分析，实现对DC-DC转换电路的开关器件进行控制，从而实现最大功率跟踪。对DC-DC转换电路的开关器件进行控制主要采用PWM技术（脉冲宽度调制技术）。

ATmega16是具有16KB系统内可编程FLASH的8位AVR微控制器。该控制器具有10路AD转换口，电流电压检测得到 IADC、VADC1、VADC2供软件程序调用。PC程序根据算法确定系统是否工作于最大功率点上，若否，PC通过相应算法决策改变PWM信号的占空比，使系统工作点始终跟随光伏电池最大功率点的变化而变化。

图13 实验图

图14 输出电压和驱动脉冲的波形

图11 IGBT隔离驱动电路

图12 控制电路的设计

4 实验结果与分析

使用一个300V稳压电源和一个1000Ω的电阻进行模拟，把稳压源和电阻串联起来，组成一个线性电源，理想情况下最大功率点在150V处。

此系统输入电压为100～200V，输入功率1000W，经Boost升压电路转换后供给负载，改变PWM信号占空比，输出电压由图15可知恒定在360V左右，占空比为93.3%，输出电流为2.7A，效率为 97.5% 。

实验结果表明，通过器件的选择、IGBT驱动电路和DC-DC电路的设计，控制DC-DC变换器内部开关管的占空比可以准确有效快速地控制光伏电池的输出电压。该实验有效地验证了DC-DC恒电压控制的性能，提高了系统的快速性和高效性。

5 结论

在不同的最大功率点跟踪的方法中，DC-DC转换电路方法简单，实用性强，效率高。目前最大功率点跟踪技术一般用在较大的光伏系统或电站。光伏阵列最大功率点跟踪技术的实现方法的简化以及跟踪速度和精度的提高将来必然是发展趋势。

[1]赵庚申，王庆章.最大功率跟踪控制在光伏系统中的应用[J].光电子.激光，2003，14（8）:813～816

[2]王庆章.光伏发电系统最大功率点跟踪控制方法研究[J].南开大学学报，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