光伏發(fā)電用推挽正激升壓電源的研究

何占寧，夏東偉，劉玉朋

（青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島266071）

0 引 言

傳統(tǒng)的化石能源逐漸枯竭與嚴(yán)重的環(huán)境污染制約和影響了世界經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。能源的需求越來(lái)越大，為了實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)都將太陽(yáng)能發(fā)電作為發(fā)展的重點(diǎn)。在各國(guó)政府的大力支持下，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，從世界范圍來(lái)講，光伏發(fā)電完成了初期的開(kāi)發(fā)和示范，現(xiàn)在正向大量生產(chǎn)和規(guī)模化應(yīng)用發(fā)展。目前中小功率的光伏發(fā)電升壓電路主要采用BOOST電路或者在逆變橋后用工頻變壓器升壓的結(jié)構(gòu)，由于Boost電路不能實(shí)現(xiàn)輸入輸出之間的隔離，而工頻變壓器存在著體積大、效率低、成本高的問(wèn)題。本文在光伏發(fā)電系統(tǒng)的升壓變換器采用了推挽正激變換器，使用PIC16F74與邏輯門電路實(shí)現(xiàn)了帶有MPPT功能的升壓電源研制，在不提高控制器成本的情況下，既實(shí)現(xiàn)了輸入輸出的隔離，又提高了變換器的效率。在最大功率跟蹤算法上提出了擾動(dòng)因子，利用改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法對(duì)傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行了優(yōu)化。

1 光伏電池的特性及改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

1.1 光伏電池的特性

在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度一定時(shí)，太陽(yáng)能光伏電池既不是恒壓源，也不是恒流源，是非線性直流電源。其等效電路如圖1，等效數(shù)學(xué)模型為：

式中，I為光伏電池輸出電流；U 為光伏電池輸出電壓；I0為PN結(jié)的反相飽和電流；Iph為光生電流；q為電子電荷，q＝1.6×10－19C；k為波爾茲曼常數(shù)，k＝1.38×10－23J／K；T 為熱力學(xué)溫度；n為PN結(jié)的曲線常數(shù)；Rs、Rsh為光伏電池的固有電阻。

圖1 光伏電池的等效模型

1.2 最大功率點(diǎn)算法的原理

光伏電池是一個(gè)非線性電源，其輸出電壓和電流不僅受光強(qiáng)及溫度的影響，而且也由負(fù)載的性質(zhì)和狀況決定。在光伏電池的伏安曲線中，光伏電池的輸出特性曲線與負(fù)載特性曲線的交點(diǎn)即為光伏電池的工作點(diǎn)。如果工作點(diǎn)處于最大功率點(diǎn)處，系統(tǒng)就處于匹配狀態(tài)，光伏電池所產(chǎn)生的電能被充分利用。反之，它所產(chǎn)生的電能就沒(méi)有被充分利用。在光伏電池的伏安曲線上，在最大功率點(diǎn)作切線，該切線的斜率就是光伏電池在最大功率點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)等效電阻。在光伏電池和負(fù)載之間配置一個(gè)功率變換器，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入輸出電壓比調(diào)節(jié)負(fù)載的等效阻抗，來(lái)調(diào)節(jié)光伏電池的等效負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)MPPT的跟蹤。

1.3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的工作原理

擾動(dòng)觀察法是MPPT控制中的一種常用方法，它的控制思路是：假設(shè)增加MPPT電路開(kāi)關(guān)的占空比，若太陽(yáng)能電池的輸出功率增加，則占空比繼續(xù)增加，直到輸出功率下降；反之，占空比減少［1］。占空比每次的改變值稱為擾動(dòng)步長(zhǎng)△d，在傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法中，△d為定值。當(dāng)△d較大時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的變化比較敏感，但是在MPP附近會(huì)有較大的震蕩；當(dāng)△d較小時(shí)，系統(tǒng)在MPP附近的震蕩會(huì)很小，但是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力比較差［4］。

本文采用變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，首先采樣當(dāng)前光伏電池的開(kāi)路電壓值，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器，在設(shè)置的定時(shí)時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)以開(kāi)路電壓的0.76倍作為初始基準(zhǔn)值。在定時(shí)器中斷響應(yīng)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法控制。本設(shè)計(jì)中的擾動(dòng)步長(zhǎng)取決于當(dāng)前的功率值與前一次功率值的差△P，△d＝a△P，其中a為擾動(dòng)因子，是一個(gè)正的常數(shù)，可見(jiàn)△P越大，擾動(dòng)就越大，△P越小，擾動(dòng)也越小。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)置了步長(zhǎng)△d的兩個(gè)閥值，當(dāng)△d＜△dmin時(shí)，△d＝0，系統(tǒng)不做擾動(dòng)；當(dāng)△d＞△dmax時(shí)，△d＝△dmax，避免了步長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)或系統(tǒng)錯(cuò)誤引起的巨大震蕩。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是：在開(kāi)機(jī)時(shí)可以迅速追蹤到當(dāng)前的最大功率，加快了系統(tǒng)的啟動(dòng)速度，定時(shí)器的設(shè)置使得系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行；當(dāng)光伏系統(tǒng)所在的外界環(huán)境發(fā)生迅速的變化時(shí)，系統(tǒng)可以以比較大的步長(zhǎng)追蹤MPP，改善了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)系統(tǒng)工作在 MPP附近時(shí)，由于△P很小，系統(tǒng)以小步長(zhǎng)追蹤MPP，減小了系統(tǒng)在MPP附近的震蕩。系統(tǒng)的流程圖如圖2、圖3所示。

2 推挽正激升壓電源主要參數(shù)的設(shè)計(jì)

推挽正激變換器的拓?fù)淙鐖D4所示，本設(shè)計(jì)輸入電壓為光伏電池輸出電壓Uin＝50 V～80 V，輸出電壓Uout＝400 V，變換器的額定功率為200 W，工作頻率為50 k Hz。

2.1 推挽正激變壓器的設(shè)計(jì)

2.1.1 鐵芯型號(hào)的選取

圖2 MPPT主程序流程圖

圖3 MPPT中斷程序流程圖

圖4 推挽正激變換器的結(jié)構(gòu)圖

高頻變壓器的磁芯材料有鐵氧體、非晶態(tài)合金、坡莫合金和超微晶軟磁合金幾種，其中鐵氧體的磁芯結(jié)構(gòu)齊全，價(jià)格便宜，使用廣泛：電阻率大，高頻時(shí)可以減小能量損耗，防止變壓器發(fā)熱。本文中變壓器采用PC40鐵氧體，其飽和磁通0.45 T（60℃），最大工作磁通選取為0.1 T，剩余磁通 Br＝0.065 T，矯頑力 Hc＝10.3 A／m，居里溫度Tc＞215℃。為了防止高頻變壓器的瞬間飽和，應(yīng)該選擇較低的工作磁感應(yīng)強(qiáng)度。因?yàn)锽r總是遠(yuǎn)小于Bs，選擇工作磁感應(yīng)強(qiáng)度應(yīng)小于1／3Bs，本文中設(shè)計(jì)的變壓器工作磁感應(yīng)強(qiáng)度為Bm＝0.1 T。

2.1.2 期望匝數(shù)比的設(shè)計(jì)［3］

2.1.3 變壓器磁芯結(jié)構(gòu)的選擇

選擇磁芯結(jié)構(gòu)為EI40。

2.1.4 線圈匝數(shù)設(shè)計(jì)

初級(jí)線圈匝數(shù)分別為Np1，Np2，次級(jí)線圈匝數(shù)Ns

2.2 控制電路的設(shè)計(jì)

由于推挽正激電路需要兩路占空比相同的脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)，脈沖的寬度由MPPT算法實(shí)時(shí)更新，需要大量的單片機(jī)資源。本設(shè)計(jì)中使用比較器、邏輯門電路與PIC16F74共同實(shí)現(xiàn)對(duì)推挽正激變換器的控制，大大減少了單片機(jī)資源的使用。圖5所示為方波發(fā)生電路。L M239系列可用于幾兆赫頻率的振蕩電路。該電路為使用很少元件構(gòu)成的方波發(fā)生電路。電路的輸出頻率由R4、C1的時(shí)間常數(shù)以及由R1、R2、R3所決定的遲滯電路共同決定。電路中，R1＝R2＝R3＝120 kΩ，R4、R5分別為10 kΩ和500Ω的可調(diào)電阻，調(diào)節(jié)R4可以調(diào)節(jié)輸出電路的頻率，調(diào)節(jié)R5調(diào)節(jié)正負(fù)脈寬的寬度。本設(shè)計(jì)中輸出的方波PWM1為50 k Hz，正負(fù)脈沖的占空比各為50%。單片機(jī)根據(jù)MPPT算法，輸出PWM2，其頻率為100 k Hz，開(kāi)關(guān)管門極控制所需要的控制信號(hào)G1、G2的表達(dá)式為：

G1＝ PWM1 ＆PWM2，G2＝ （！PWM1）＆PWM2。門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1、G2由PWM1、PWM2與邏輯控制芯片74 HC04與74 HC08實(shí)現(xiàn)。

圖5 50 k Hz方波發(fā)生器

2.3 反饋回路的設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)隔離的一個(gè)比較好的選擇是使用線性光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒(méi)有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接受電路。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消直流通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的［5］。本文采用HCNR201進(jìn)行模擬信號(hào)的隔離，圖6為反饋隔離電路。

圖6 線性光耦反饋電路

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中，開(kāi)路電壓為80 V，短路電流4 A的光伏電池接在推挽正激變換器的輸入端，功率滑動(dòng)變阻器接在推挽正激變換器的輸出端。完成了一臺(tái)200 W的推挽正激升壓電源，推挽正激的主開(kāi)關(guān)管選取仙童公司的FDP51N25，其耐壓為250 V，電流為51 A，導(dǎo)通電阻為0.06Ω；整流二極管選擇仙童公司的RHRP15120快恢復(fù)二極管，其耐壓為1 200 V，電流為15 A。圖7中波形分別為單片機(jī)輸出的PWM2與L M239輸出的PWM1，圖8中的波形分別為開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)G1、G2。

圖7 單片機(jī)與L M239輸出的PWM波形

圖8 開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研發(fā)了一款用于中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的推挽正激升壓電源。實(shí)驗(yàn)表明：所研究的升壓電源達(dá)到了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定性高的設(shè)計(jì)要求，克服了傳統(tǒng)升壓電源的不隔離及體積大效率低的缺點(diǎn)。改進(jìn)的變步長(zhǎng)干擾觀察法可以使系統(tǒng)在外界環(huán)境發(fā)生迅速變化時(shí)，以比較大的步長(zhǎng)追蹤MPP，改善了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法的動(dòng)態(tài)性能；當(dāng)工作在MPP附近時(shí)，以小步長(zhǎng)追蹤MPP，減小了系統(tǒng)在MPP附近的震蕩。

［1］ 朱銘煉，李臣松，等.一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)MPPT的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（1）；20－23.

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