Z源升压变换器光伏系统最大功率点跟踪研究

李明， 黄礼万

(阳江职业技术学院，广东 阳江 529500)

0 引 言

光伏电池具有非线性伏安特性，并且光伏电池的输出特性受外界环境变化影响，特别受光照强度和温度的影响。最大功率点跟踪技术(MPPT)技术是光伏发电系统中的关键技术之一[4]。本文将Z源升压变换器作为光伏MPPT电路的DC/DC变换器。控制电路采用改进的电导增量法，仿真试验表明，此设计能在光照和温度变化时，准确地进行最大功率跟踪。最后根据此电路结构设计了一个基于BUCK变换器的蓄电池充电器，降压转换器能为蓄电池充电提供恒定水平电流电压[5]。

1 Z源升压变换器电路分析

图1为Z源升压变换器原理图，其中L1、L2、C1、C2共同组成Z源网络，S为主开关。

图1 Z源升压变换器拓扑电路

对一个开关周期T内，可分为导通和截止两个子时间段，假定占空比为d。在0≤t≤dT，S导通，其等效电路如图2(a)所示；在dT≤t≤T,S截止, 其等效电路如图2(b)所示。

图2 Z源升压变换器等效电路

2 光伏电池模块分析

光伏电池的外特性模型，是一种非线性直流源，其单元等效电路模型可由图3表示。

图3 光伏电池等效电路模型

Voc为光伏电池开路电压，Isc为光伏电池短路电流，Vo是对应点电流为Io的输出电压:

(1)

式中:C1、C2为常数；Vm、Im是最大功率点电压和电流。

任意光照强度和温度下：

(2)

式中:Tref为标准条件下光伏阵列工作环境温度，取Tref=25 ℃;Sref为温度和光照强度参考值，取1 000 W/m2。a、b、c为常数，一般取a=0.002 5 ℃，b=0.5 W/m2，c=0.002 88 ℃。

选取实心板梁距支座中心h/2处斜截面进行抗剪强度检算。该桥实心板梁斜截面最大剪力组合值及斜截面极限抗剪强度见表3。

光伏电池输出特性曲线如图4所示，其中M为最大输出功率输出点[6]。

图4 光伏电池的输出特性

3 改进电导增量法的MPPT控制方法

目前已有许多专家学者提出各种 MPPT 控制方法，本文采用改进的电导增量法进行控制。由于经常采用开关管的占空比的变化量作为电导增量法的步长，而Z源升压变换器的占空比小于0.5时就可达到很好的升压效果，这就使得步长变量的变化范围更小，从而减少运算量。其控制流程如图5所示。

图5 控制流程图

其中step 为变步长，变化的步长可有效地兼顾到MPPT的快速性和稳态性，大小由下式确定[7]:

(3)

4 Z源升压变换器光伏系统最大功率点跟踪电路仿真试验

基于上述控制方法，在PIM中搭建仿真电路如图6所示[8-9]。

图6 MTTP 算法仿真图

取光伏电池给定技术参数：Uocref=24 V、Iscref=5.1 A、Umref=17.5 V和Imref=4.8 A。其中boost电路参数设置为：L1=L2=0.01 mH，C1=C2=10 μF,L3=0.2 mH，C3=400 μF,R=10 Ω，Vg=12 V, 占空比D的变化范围为[0，0.4]。

为了研究在光照和温度突变时最大功率点跟踪情况，把仿真过程分为四个阶段，每个阶段持续0.2 s：

阶段一(0～0.2 s)：1 000 W/m2,25 ℃;

阶段二(0.2～0.4 s)：700 W/m2,25 ℃;

阶段三(0.4～0.6 s)：1 000 W/m2,60 ℃;

阶段四(0.6～0.8 s)：700 W/m2,60 ℃;

在不同阶段最大功率跟踪仿真结果如图7所示。最后的输出电压仿真结果如图8所示。

从仿真结果看，在外界条件发生突变时，最大功率跟踪的动态响应快，能达到设计要求。

图7 电池最大功率跟踪

图8 输出电压波形

5 设计应用

图9 充电控制模块

为了使前述设计电路能应用于蓄电池的充电系统，并能实现快速充电，减少损耗，充电时需要恒流恒压，这样能提高电池的寿命。从图7可以看出，前面设计电路输出电压波形质量不够理想。PI控制很容易实现，并能消除稳态误差，本文采用PI控制的BUCK变换器作为后级充电器的降压和稳压电路，其控制框图如图9所示[10]。

图10 BUCK电路输出电压波形

设计PI控制器并在PIM中仿真得到输出电压波形如图10所示。从仿真结果可以看出，经过PI控制的BUCK变换器能提供稳定的电流和电压，使充电电池充电迅速，减少损失，并增加电池的生命周期。

6 结束语

文章介绍了Z源升压变换器的拓扑结构和工作原理，并把Z源升压变换器应用于光伏系统最大功率点跟踪电路，为了研究在光照和温度突变时最大功率点跟踪情况，把仿真过程分为四个阶段，采用改进电导增量法的MPPT控制方法对此电路进行控制，在PSIM中进行仿真试验，结果证实了设计电路和控制方法的正确性。为了使本电路应用于实际，最后应用PI控制的BUCK变换电路设计了一个充电控制器，为光伏充电系统的设计提供了一个可行的方案。