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采用MPPT控制的交流光伏模块的高升压
DC - DC转换器
古文达萨米·逊达尔 纳拉希曼·卡厚 萨西·拉玛·雷迪
本文介绍了一种高增益升压斩波电路，它是根据使用要求将光伏板的低输出电压升压到高压的关键。本文提出了一种通过MPPT控制的耦合电感技术高增益Boost变换器。在没有极端的占空比和过高的匝数比要求下为负载提供一个高的升压电压转换率，能有效利用耦合线圈的漏过能量的电路。MPPT通过控制变换器占空比来提升光伏电池板的最大功率。在Matlab/Simulink环境下，利用SIM电力系统模块对光伏电池板、升压变换器和MPPT组成的电路进行建模。测得该转换器模型的最大效率达95.4%，满负荷效率达93.1%。
关键词 ：太阳能电池板，升压变换器，耦合电感，MPPT控制
1 INTRODUCTION
光伏发电产业已经在世界范围内获得巨大的成功。因此，高升压BOOST转换器对于根据应用（负载或电网）的要求将光伏面板的低电压升压至高电压至关重要。研究人员正在夜以继日地开发更好的用MPPT技术的升压转换器以及相应有效的控制机制。该项目和新的研究领域的挑战是项目背后的动机。
光伏（PV）发电系统成为越来越重要和普遍化的发电系统。传统的集中式光伏阵列是通过直流-交流逆变器的多个面板的串行连接，以获得主要直流母线电压较高的直流母线电压。不幸的是，一旦有一些面板光照不足，系统的电能输出功率将会明显减校。一个单一的太阳能电池板的输出功率范围为100瓦至300瓦，在最大功率点（MPP）工作时输出电压范围在15 V至40 V之间，这将是交流模块的输入电压；但是在输入电压较低的情况，将会使交流模块难以获得较高的转化效率。然而，在逆变器之前采用高阶的DC-DC转换器能显著提高电源转换效率并为逆变器提供稳定的直流环节。流程图如图1所示。
图1.具有PV面板和MPPT控制的BOOST转换器的结构
DC-DC转换器需要大的升压转换环节将电池板的低输出电压上升到实际应用所需的电压水平。控制电路由MPPT组成，用来从光伏面板获得最大功率，因此最大功率追踪的扰动观察法（P，O）用于控制升压斩波变换器的占空比从而使太阳能板在最大功率点工作并拥有高电能转换效率，从而获得高转换效率的转换器。
。早些时候，使用的高阶升压转换器分为电感开关型，电容开关型，超增益电容开关型[ 1 ]；和升压型集成单端初级绕组电感变换器（SEPIC）变换器[ 3 ]综合，这些转换器通过增加耦合电感匝数比获得比传统的升压转换器更高的电压增益。一些转换器成功且完全地结合的升压转换器与耦合电感器，因为各种转换器组合开发，从而能够使用耦合电感技术实现高阶的电压增益提升。直流–直流升压变换器的转换效率和电压增益受电源开关的寄生效应和二极管的反向恢复问题所约束。此外，等效串联电阻（ESR）的电容和电感的寄生电阻，也会影响总体转换效率。
光伏板的建模和MPPT控制是在[ 8 - 16 ]中提出的。该转换器地利用耦合电感和漏感能量回收技术和MPPT技术控制Boost变换器的占空比提升光伏面板最大功率实现高增益。在（5）连续导电模式（CCM）模式中获得高增益。所以，该转换器在CCM模式中分析。
2升压转换器
该BOOST转换器具有带有浮动有源开关的耦合电感器，用于获得高增益和高功率转换比，并且在没有断路器的情况下实现高转换效率及低能量损耗。
该转换器，如图2所示，包括一个耦合电感T1与浮动有源开关S1。 耦合电感T1的初级绕组N1与传统升压转换器的输入电感类似，电容C1和二极管D1接收来自N1的泄漏电感能量。耦合电感器T1的次级绕组N2与另一对与N1串联的电容器C2和二极管D2连接，以进一步增大升压电压。
图2 转换器的电路配置
整流二极管D3连接到其输出电容器C3。该转换器具有以下几个特征：1）两对电感器，电容器和二极管的连接提供大的升压转换比; 2）可以回收耦合电感的漏感电感能量，从而提高效率并抑制有源开关两端的电压应力; 和3）浮动有源开关在非工作条件下有效隔离了光伏电池板的能量，从而提高了安全性。该转换器的简化电路模型如图3所示。耦合电感T1表示为磁化电感Lm，初级和次级泄漏电感Lk1和Lk2以及理想变压器。
图3 变换器中电压和电流的极性分析
为了简化所提出的转换器的电路分析，做出以下假设。
1）除了正在考虑的耦合电感器T1的漏电感之外，所有组件都是理想的。 忽略主开关S1的导通电阻RDS（ON）和所有寄生电容，二极管D1〜D3的正向压降也是如此。
2）电容器C1〜C3足够大，使得它们两端的电压被认为是恒定的。
3电容器C1〜C3的ESR和耦合电感T1的寄生电阻被忽略。
4）耦合电感T1的匝数比n等于N2 / N1。
只有在连续导通模式（CCM）下才能分析工作原理，因为该转换器的高增益是在CCM中实现的，并且详细介绍了其操作。 图4显示了CCM操作中BOOST转换器的波形。
图4.升压转换器的波形
图5.太阳能电池的单一二极管模型
操作模式如下所述。
2.1充电模式
在这种操作模式下，开关闭合，电感器通过开关被充电。充电电流是指数的性质，但简单起见，假定是线性变化的。二极管限制电流的fl流从源到负载和负载的需求则是由电容器的放电。
2.2放电模式
在这种操作模式下; 开关闭合，电感通过开关由电源充电。 充电电流本质上是指数型增长的，但为了简单起见，假定线性变化。 二极管限制从电源到负载的电流流量，负载的需求通过电容放电来满足。
3光伏电池建模
太阳能光伏电池是太阳能电池板的组成部分。 光伏模块通过串联和并联多个太阳能电池而形成。 串联连接可以增加模块电压，而并联连接负责增加阵列电流。 考虑到只有一个太阳能电池; 它可以通过利用电流源，二极管和两个电阻来建模。 该模型被称为太阳能电池的单个二极管模型。 两个二极管模型也可用，但在这里只考虑单个二极管模型[8,12,14]。
在这个模型中，我们考虑电流源（I）以及二极管和串联电阻（Rs）。 并联电阻（RSH）阻值非常高，其对整体阻值的影响微乎其微，可以忽略不计。来自光伏阵列的输出电流是
(1)
其中
(2)
其中Io是二极管的反向饱和电流，q是电子电荷，Vd是二极管两端的电压，k是波尔兹曼常数（1.38times;10-19J / K），T是以开尔文（K）为单位的结温。
由(1)和(2)可得
使用合适的近似值
其中I是光伏电池电流，V是PV电池电压，T是温度（以开尔文为单位），n是二极管理想因子。下图给出了太阳能电池的I-V和P-V曲线。 可以看出，电池在低工作电压值下作为恒定电流源工作，在低工作电流值下作为恒定电压源工作。 太阳能电池是电流源，由于光电效应产生电子流，并产生电势差。 图6显示了P-V和I-V曲线。
图6.太阳能电池的P-V I-V曲线
4 MPPT控制算法
一个典型的太阳能电池板只能将入射太阳能辐射的30％至40％转化为电能。 最大功率点跟踪技术用于提高太阳能电池板的效率。。根据最大功率传输定理，电路的输出功率最大时，电路的戴维南阻抗（源阻抗与负载阻抗相匹配）。因此，我们的最大功率点跟踪问题减少到阻抗匹配问题。在源侧采用Boost变换器的控制连接，以提高太阳能面板的输出电压，可用于不同的应用如电机负载ff迪。通过改变增压控制占空比的情况我们可以配合适当的负载阻抗源阻抗。各种MPPT技术niques在[ 9 ]–11,13,15,16讨论。
用于最大功率点跟踪的方法有很多种，下面列出了几种方法：
bull;扰动观察法
bull;增量电导法
bull;电流扫描法
bull;恒压法
bull;恒流法
因此，从上述方法来看，扰动和观测（P＆O）方法是最常用的跟踪最大功率的算法，因为其结构简单，所需参数较少。 所以，我们的分析只关注P＆O MPPT方法。 我们只使用这种技术来跟踪最大功率点。
这种方法是最常见的。 在这种方法中使用的传感器数量非常少。 工作电压被采样，算法在所需方向改变工作电压并采样dP / dV。 如果dP / dV为正值，则该算法会将电压值增加至MPP，直至dP / dV为负。 这个迭代一直持续到算法最终到达MPP。 因此，特征PV面板功率曲线如图7所示。因此通过扰动和观察方法达到MPP。
图7.太阳能电池的P-V特性
P＆O方法的基本操作程序。 在固定的时间段内，调整光伏系统的负载以改变光伏组件的端电压和输出功率。然后观察变化之前和之后的输出电压和功率的变化，并将其与下一步中增加或减少负载的参考值进行比较。 如果此时的扰动导致PV模块的输出功率大于变化前的输出功率，则PV模块的输出电压将朝相同的方向变化。 否则，如果PV模块的输出功率小于变化前的输出功率，则表示下一步的变化方向应该改变。 通过使用这些迭代扰动，观察和比较步骤可以获得PV系统的最大输出功率点。 P＆O方法的优点是结构简单，易于实现，所需参数少。
扰动和观察（P＆O）方法MPPT算法的流程图如图8所示。MPP跟踪器通过周期性地增加或减少太阳能电池阵列电压来工作。 如果给定的扰动导致PV的输出功率增加（减小），则随后的扰动以相同（相反）的方向产生。 在图8中，设置Duty out表示太阳能电池阵列电压的扰动，Duty 和Duty-分别代表相同或相反方向的后续扰动。
图8. MPPT扰动观察法的流程图
在P＆O方法中，电压和电流值由PV面板获得，这些值用于控制BOOST转换器的占空比（D），以从PV面板提取最大功率。 通过控制升压转换器MOSFET开关的占空比以使其工作在MPP并获得高电压增益，使得dP / dV的值递增或递减。
5 仿真结果
提出了一个100W的原型样本来验证所提出的BOOST转换器的实用性。 电气规格是输入电压= 10 V，输出电压= 140-150 V，fS = 50 kHz，满载电阻R =400Omega;。 所需的主要元件是C1 = C2 =47mu;F和C3 =220mu;F。 匝数比n = 5，占空比D推导为55％。
图9.在测试条件下测量的实验波形
耦合电感磁化电感Lm的实际电感为30.54mu;H，大于边界磁化电感24.75mu;H。 图10显示了电压和电流波形，它们是从有源开关S1，二极管D1，D2和D3以及C1和C2的电流波形测得的。
将PV面板连接到BOOST转换器通过其高增益和高电压转换获得大约10-15倍从PV面板低电压值从而达到到应用所需的高电压值。
PV面板的输出是通过将两个20 V面板串联以获得40 V来获得的，如表1所示。
表1.在标准测试条件下从光伏面板获得的输出电压
将来自PV面板的40 V输出作为输入提供给该BOOST转换器，该转换器在负载或电网情况下升压至380-400 V，如图10所示。
图10.该 BOOST转换器的输出电压波形
使用PV面板的等效电路进行仿真，提出了BOOST变换器的仿真模型，并根据其流程图对MPPT控制进行了仿真。
使用Powerlib和Sim电源系统模块在MATLAB / SIMULINK中对PV面板，BOOST变换器和扰动观测方法MPPT进行了仿真。
6结论
本文介绍了一种具有MPPT控制的高升压BOOST转换器。它实现了较高的升压电压增益。由于耦合电感器的漏电感器的能量已被回收，所以有源开关S1两端的电压应力受到限制。因此，所提出的转换器的效率得到了改善。使用MPPT最大功率从PV面板提取，BOOST转换器的占空比通过MPPT有效控制。从原型转换器，匝数比n = 5，占空比D为55％。因此，如果没有极高的占空比和匝数比，建议的转换器可实现高达13倍输入电压水平的高升压电压增益。在非运行状态下，住宅能源得到有效消除，从而提高了安全性并保护了系统和技术人员。在MATLAB / SIMULINK仿真下可获得40 V输入电压（来自PV面板）至380-400 V输出电压的仿真结果。实验结果表明，最大效率高达95.4％。
参考文献
[1] LIANG, T. J.—CHEN, S. M.—YANG, L. S.—CHEN, J. F.— IOINOVICI, A.: Ultra Large Gain Step-Up Switched-Capacitor dc-dc Converter with Coupled Inductor for Alternative Sources of Energy, IEEE Trans. Circuits Syst. 59 No. 4 (Apr 2012).
[2] WAI, R. J.—LIN, C. Y.—RDUAN,. Y.—CHANG,
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