基于交错并联Boost电路的光伏MPPT研究

贾浩文,高 波，徐海涛，张 利

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

基于交错并联Boost电路的光伏MPPT研究

贾浩文,高 波，徐海涛，张 利

(山东科技大学 电气与自动化工程学院，山东 青岛 266590)

在太阳能发电最大功率点跟踪中应用最多的电路是Boost电路，Boost电路的输入端通常需要并联一个大滤波电容使输出端电压稳定。为了提高光伏最大功率跟踪的速度，在Boost电路的基础上，研究了两相交错并联Boost电路。设计了一种变步长电导增量法，应用在两相交错并联Boost电路中。在MATLAB/SIMULINK模块中搭建仿真模型，仿真结果表明，两相交错并联Boost电路稳定在功率最大点的速度更快,比Boost电路提高了负载的输出功率。

太阳能；最大功率点跟踪(MPPT)；两相交错并联Boost；变步长；电导增量法

0 引言

太阳能发电将光能转化成电能，是一种经济环保的能源，有着广泛的应用前景[1]。光伏输出功率受多种环境因素的影响主要包括光照强度和温度，光伏发电实现最大功率点跟踪(MPPT)成为了主要的研究方向。目前常用的方法有恒压法(CVT)、扰动观察法(P&O)或称爬山法、电导增量法等多种MPPT控制方法[2，3]，它们各有优缺点。

本文在传统的最大功率跟踪Boost电路基础上[4]，研究了一种更加适用于太阳能发电最大功率跟踪的两相交错并联Boost电路[5-9]。通过研究传统的电导增量法[10，11]，同时设计了一种变步长的电导增量法作为最大功率跟踪控制方法。两相交错并联Boost电路应用在光伏发电中，很大程度上使主电感的电流纹波幅值减小，同时能够使滤波电容的值减小。仿真过程中采用这种变步长电导增量法实现了最大功率点跟踪。

1 光伏阵列的特性

太阳能电池的数学表达式[12]如下:

(1)

太阳能电池输出功率与输出电压之间的表达式为：

(2)

图1 不同光照的P-U关系

式中：Ipv为光伏阵列的输出电流；IL为光伏电池的光生电流；Upv为光伏电池的输出电压；q为电荷常量；K为玻尔兹曼常数；A为光伏电池的PN结系数；T为绝对温度；I0为电池反向饱和电流；Rs为光伏电池的串联电阻；Rsh为光伏电池的并联电阻。

根据公式(1)在MATLAB/SIMULINK模块中搭建了光伏阵列的数学模型，测试输出功率与外界温度和光照强度之间的关系。在外界温度为25 ℃的环境下调节光照强度分别测试了在500W/m2、600W/m2、800W/m2、1 000W/m2下的输出功率波形图。图1为太阳能电池板在不同光照强度下输出功率与电压之间的关系。

图2为太阳能电池板在800W/m2光照强度下0 ℃、25 ℃、50 ℃、75 ℃不同温度输出功率与电压之间的关系。

图2 不同温度的P-U关系

根据图1可知，光照强度增强输出功率也在不断变大。由图2可知，外界温度变大光伏的输出功率将不断的变小。可知温度和光照强度对光伏的输出功率有很大的影响[13]。

2 两相交错并联Boost电路

Boost电路作为DC/DC转换电路广泛的应用在光伏最大功率跟踪中。本文在Boost电路的基础上研究了两相交错并联Boost电路，这种电路是由2个Boost电路并联在一起，基本结构如图3所示。由于电路是由2个Boost电路并联在一起，在一个导通周期内开关的触发脉冲相差180°，相互导通减小了输入电流的纹波幅值，当2个Boost电路的导通比都工作在0.5时，此时输入电流的纹波等于0。

图3 两相交错并联Boost电路

2个Boost电路以导通比D=0.5作为临界条件，其中D=0.5是最佳工作状态，其工作状态主要分为3种D<0.5、D>0.5和D=0.5。太阳能发电主要工作在D>0.5的状态下，下面以D>0.5为例介绍两相交错并联Boost电路的工作过程。

当D>0.5时，电路工作在如图4所示4个状态，状态a时，S1和S2同时闭合,二极管D1和D2同时断开。状态b时，S1闭合S2断开，此时二极管D1断开，二极管D2导通。状态c和状态a完全一样。状态d时S1断开，开关S2闭合，二极管D1导通，二极管D2断开。

D>0.5的状态方程如下：

状态a方程为：

(3)

图4 工作状态图

状态b方程为：

(4)

状态c方程为：

(5)

状态d方程为：

(6)

根据一个周期内L1和L2的伏秒特性得：

(7)

同理可以得知，D<0.5和D=0.5时的伏秒特性同样为式(7)。

由上面的推导可知，当D>0.5、D<0.5和D=0.5时两相交错并联Boost电路的输出电压和输入电压的关系为：

(8)

由以上推导可知，两相交错并联Boost电路同样通过调节占空比D可以调节输出电压的大小，由于两相交错并联Boost电路是由2个传统的Boost电路并联在一起，工作时2个Boost电路在一个工作周期内相互导通，由于导通角相差180°，并且电路中存在电感，可知相互导通减小了输入端输入电流的纹波幅值。同时传统的Boost电路为了稳定输出端的电压，常常在输入端并联一个大电容，由于交错并联Boost电路的相互导通性减小了输入端电容值，节约了成本。综合以上两相交错并联Boost电路的特点可知，两相交错并联Boost电路更加适合在光伏最大功率跟踪中应用。

3 变步长电导增量法

通过分析光伏电池的等效模型得出要想使输出功率最大，必须让输出电阻的值等于光伏电池的等效内阻，这样通过调节DC/DC电路的占空比来实现MPPT。在多种MPPT控制方法中电导增量法是一种适应于光照强度突变和温度突变的控制方法，经常使用的电导增量法是采用定步长的方式，步长的选择影响了功率跟踪的稳定性，步长过大或者过小都会给输出功率造成影响。步长选择过大系统反应快，但是输出功率的稳定性差，如果选择了过小的步长，虽然提高了输出功率的稳定性，但是反应慢。本文根据输出功率的特点设计了一种变步长电导增量法。

下面分析电导增量法的原理，公式(9)中V和I分别为采集到的电压和电流，P为太阳能电池板的输出功率。

P=VI

(9)

由公式(9)把电流I当做V的函数方程两边对V求导得：

(10)

由式(10)化简得：

(11)

图5 MPPT控制流程图

4 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型，设置外界温度为25 ℃，光照强度800 W/m2,设置光伏电池的开路电压为21.1 V，短路电流5 A，最大工作电压17.1 V，最大功率电流4.6 A，通过仿真得出波形图。

图6是两相交错并联Boost电路2个电感L1和L2在D=0.5时的输出电流波形图，从图中可以看出，当开关管的导通比工作在D=0.5时，输入电流的纹波值为0，此时是电路的理想工作状态。图7为D=0.3时的电感和电流波形图，图中可以看出，两相交错并联Boost电路可以减小输入电流纹波值，同时使纹波频率增加了1倍，所以可以大大减小输入端滤波电容值。

图6 D=0.5时两相交错并联主电感电流

图7 D=0.3时两相交错并联主电感电流

图8 交错并联Boost和Boost电路输出功率

图8为把变步长电导增量法同时应用在两相交错并联Boost电路和Boost电路中进行光伏最大功率跟踪时，两相交错并联Boost电路和Boost电路输出功率的波形图，对比2个输出功率波形图可知，在0.03 s左右两相交错并联Boost电路已经基本平稳达到最大功率点，而Boost电路的输出功率还处于增大状态，两相交错并联Boost电路比传统的Boost电路更快地达到最大功率点，输出的功率更加平稳，整体输出功率的转化率高于传统的Boost电路。相比之下两相交错并联Boost电路输出功率波形较为理想，更好地实现了最大功率点跟踪。两相交错并联Boost电路中更能准确地跟踪到功率的最大点，响应速度更快，而Boost电路跟踪缓慢。

图9为2种MPPT算法应用在Boost电路的输出功率波形，从仿真的输出波形图可以看出，在Boost电路中固定步长电导增量法在0.1 s处达到最大功率点，变步长电导增量法在0.02 s处达到最大功率点，最终都保持在最大功率点处，可知变步长电导增量法达到最大功率点的速度比固定步长电导增量法的速度快。并且从输出的波形可以看出，固定步长电导增量法的输出功率波动比较大，而变步长电导增量法能够快速地达到最大功率点处，最终使输出功率稳定地保持在最大功率点处。总体来说变步长电导增量法避免了输出功率的振荡，提高了输出功率的稳定性和功率跟踪的效率。

图9 变步长和固定步长电导增量法输出功率

5 结论

本文研究了一种变步长电导增量法在两相交错并联Boost电路中的应用。在MATLAB/SIMULINK中搭建了仿真模型，并进行了仿真实验。通过对两相交错并联Boost电路进行仿真实验，验证了两相交错并联Boost电路减小了输入电流的纹波幅值，增加了纹波幅值的频率，减小了太阳能电池板输出电流纹波。通过把变步长电导增量法应用在Boost电路和两相交错并联Boost电路可知，两交错并联Boost电路比Boost电路更能准确跟踪到最大功率点，可知变步长电导增量法使最大功率的跟踪速度更快，准确性更高。从仿真得出的波形图可知，变步长比固定步长电导增量法能够更快速、更稳定地实现最大功率跟踪，保持在功率的最大点，使输出功率更加稳定。由以上分析可知两相交错并联Boost电路和变步长电导增量法应用在光伏MPPT中，提高了最大功率跟踪的准确性，同时提高了最大功率跟踪的速度。仿真说明了变步长电导增量法应用在两相交错并联Boost电路，实现最大功率点跟踪有很大的优点。

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Research on Photovoltaic MPPT Based on Interleaved Boost Circuit

JIA Haowen，GAO Bo，XU Haitao，ZHANG Li

(College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Scienceand Technology，Qingdao 266590，China)

In photovoltaic power generation systems, one of the most used MPPT circuit is the Boost circuit. A large filter capacitance is usually required to be connected in parallel to the input terminal of circuit Boost in order to stabilize the output voltage. Aiming at improving the speed of photovoltaic maximum power tracking, on the basis of Boost circuit, a two-phase interleaved Boost circuit is studied in this paper. A variable step size incremental conductance method is designed for maximum power point tracking, and is applied in two-phase interleaved Boost circuit. The model is set up in the Matlab/Simulink simulation, and the simulation results show that two phase staggered parallel Boost circuit is quicker in reaching steady state than traditional Boost circuit, and this circuit increases the output power of the load in comparison with traditional Boost circuit.

photovoltaic power；maximum power point tracking(MPPT)；two-phase interleaved Boost circuit；variable step size；incremental conductance

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.002

2017-01-06。

TM731

A

1672-0792(2017)04-0007-06

贾浩文(1990-)，男，硕士研究生，主要从事新能源技术方面研究。