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光伏DC/DC变换器最大功率跟踪算法研究与设计 袁博 武汉理工大学（申请工学硕士学位论文）光伏DC/DC变换器最大功率跟踪算法研究与设计培养单位：自动化学院学科专业：电力电子与电力传动研 究 生： 2武汉理工大学硕士学位论文摘要由于世界能源总量不断减少，人们对能源的需求不断增加，寻找一种清洁、高效的能源成为当前人们关注的焦点。光伏发电是解决能源短缺的方法之一，但是太阳能电池板输出电压范围宽，受光照、温度以及负载影响大，因此需要加入光伏变换器及储能设备，保证太阳能电池板以最大功率输出。当日照条件不均时，在局部阴影条件下P-V曲线会出现多个峰值的现象，造成光伏变换器无法稳定工作，以及影响太阳能电池板寿命。因此需要设计一种输入范围宽、效率高，而且在不同日照条件下能够有效追踪全局最大功率点的光伏变换器。本文设计了一台2100W光伏变换器，并对其工作特性及控制算法进行研究和分析，本文具体工作内容具体如下：本文以光伏发电中的光伏变换器为研究对象，阐述了光伏发电以及最大功率跟踪算法的国内外研究现状。根据光伏变换器的指标，分析满足指标要求的光伏变换器拓扑，设计了功率器件、电感和电容等电路主要参数。并计算了光伏变换器的损耗，优化了机箱结构。根据光伏变换器的输入输出范围，设计了相应的采样、保护、通信以及驱动电路。为实现最大功率跟踪，需要通过光伏变换器控制太阳能电池板的输出电压。本文建立了光伏变换器的小信号模型，并依据电感电流连续及不连续两种情况设计了不同的补偿器，保证光伏变换器能够快速、稳定的控制太阳能电池板输出电压。同时本文分析了光伏变换器的启动方式，提出了光伏变换器软启动控制方法。依据太阳能电池工作原理，建立了太阳能电池板的模型，分析了太阳能电池的工作原理，以及局部阴影条件下的输出特性。由于存在传统最大功率跟踪算法会出现振荡和局部阴影条件下最大功率跟踪算法出现失配的问题，本文对传统最大功率跟踪算法进行了改进，提高了最大功率跟踪的速度和精度，重新设计了局部阴影条件下最大功率跟踪算法，并通过仿真验证了该算法的准确性。为验证光伏变换器设计的合理性，本文在输出功率为2100W的光伏变换器上进行实验。结果表明，光伏变换器的控制算法及最大功率跟踪算法使用非常有效。关键词：光伏发电，光伏变换器，局部阴影，最大功率跟踪AbstractWith the rapidly decreasing energy resources and increasing energy demand, looking for a clean, highly efficient energy has drawn public attention. Photovoltaic cell is one of the method to solve energy shortage. However the photovoltaic cell is to be influenced by the irradiation, temperature and load, and has a wide range of output voltage. Thus, it is necessary to add energy storage device and DC/DC converter to ensure photovoltaic cells output at its maximum power point.This paper regard solar converter as studying subject, by designing and test its power and control circuit and maximum power point tracking algorithm. The main research contents are as follows. First of all, choose the proper photovoltaic converter topology which is suitable for solar cell and battery. Design the main parameters including power devices, inductor and capacitors by the common method. Analyze the possible losses of each component and design reasonable chassis structure.Then different compensators are established for the small signal model of converter based on whether the inductors current is continuous and discontinuous. Based on the principle of solar cell, the model of solar cell and its working mode is analyzed and the maximum power point tracking (MPPT) algorithm is evolved to achieve higher speed and accuracy due to the ambiguous study of photovoltaic converter, oscillation of traditional maximum power point tracking algorithm and mismatch under partially shaded condition. The solar cell under the partially shaded condition (PSC) is also analyzed and its algorithm is improved.Finally, simulations and experiments are made to verify the output character of solar cell and accuracy and stability of photovoltaic converter.Key words: PV array, photovoltaic converter, partially shade condition, maximum power point tracking目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1研究背景及意义11.2国内外研究现状21.2.1光伏发电系统研究现状21.2.2光伏变换器拓扑与模型31.2.3最大功率跟踪算法研究现状41.2.4局部阴影条件检测研究现状81.3主要研究内容9第2章 光伏DC/DC变换器建模与设计102.1光伏DC/DC变换器技术指标及总体结构102.2光伏DC/DC变换器拓扑设计112.3光伏DC/DC变换建模与控制122.3.1光伏DC/DC变换器参数设计122.3.2光伏DC/DC变换器模型建立152.3.3光伏DC/DC变换器补偿器设计202.4本章小节25第3章 基于电导增量法的最大功率跟踪算法设计与改进263.1太阳能电池板建模263.1.1太阳能电池的工作原理263.1.2太阳能电池的物理模型273.1.3太阳能电池板输出特性拟合313.2电导增量法设计与改进323.3改进电导增量法仿真分析353.4本章小节38第4章 局部阴影条件下的最大功率跟踪算法设计394.1局部阴影下最大太阳能电池板工作特性394.2局部阴影条件下最大功率跟踪算法电压步长选取414.3基于电压窗与功率三角形的最大功率跟踪算法434.4日照强度突变判定464.5最大功率跟踪算法仿真分析474.5本章小节49第5章 最大功率跟踪算法实验结果505.1光伏DC/DC变换器最大功率跟踪实验505.1.1光伏DC/DC变换器工作特性505.1.2最大功率跟踪实验535.1.3 局部阴影条件下最大功率跟踪实验555.2本章小节57第6章 总结与展望586.1全文总结586.2展望59参考文献60作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文64致谢65附录I66附录II7070第1章 绪论1.1研究背景及意义随着人类社会的不断发展，例如天然气、石油化石燃料等正在慢慢枯竭，而且这些能源都是不可再生的，并且这些化石燃料的使用对环境有很大污染。可以看到，在过去由于生产力落后，化石燃料的燃烧对大气、水质和土壤产生了不可逆转的破坏。为了减少对不可再生能源的消耗，各国都在不断寻找新的、可替代的发电方法。新能源的发展为许多国家提出了一种控制温室气体排放以及在化石燃料价格较低的时代结束前实现能源多样化的有效方法1。现阶段我国的能源存储不容乐观，石油、天然气可使用三十年，煤炭约持续供应八十年2。虽然总存储量十分丰富，但人均拥有量却远远落后于世界平均水平。因此，风能、太阳能、潮汐能、地热能以及氢能、核能等3可再生新能源越来越受到人们的重视4。其中太阳能发电系统已经应用于诸多领域，例如电池充电、太阳能水泵、家庭电源供电、泳池加热系统以及卫星供电系统等。为了解决当前面对的能源问题，合理开发利用太阳能将会是一个有效、便捷的突破口，也是当今众多科学家研究的方向。光伏发电技术也是当今利用太阳能最有效的一种形式5。太阳能发电系统是一种能将太阳能转换为电能的系统，它能够应用于世界多个国家及地区。光伏发电系统是一种理想的分散式发电装置，它充分利用太阳能日照资源并减缓气候变化。和其他能源相比，太阳能发电的经济成本较高，人们对于这种发电系统的使用，并网设计等有许多争论，这导致了光伏发电仍旧需要不断拓展。太阳能发电有着无噪声、无污染、不受地域限制等特点6。每年大约有3.81024J的能量照射到地球表面7，这些能量被大地上的植物、土地、水等吸收。有人经过计算，这些能量相当于2009年消耗能量的8000倍。全球的光伏产业在近几年有非常大的发展。作为一种可在生的清洁能源，全世界的发电量从2000年的1.2GW发展为2012年的100GW。到2013年，欧洲的装机量始终保持在全球装机量的一半以上。中国在18世纪50年代末期就开始了光伏的设计与研发，在70年代开始进行应用，但是中国的光伏产业进入国际市场却很晚。随着中国光伏产业的不断发展，光伏发电由最初的应用于偏远地区供电逐步转变为向城市供电，由补充能源向替代能源转变5，大型电站逐步建立起来。中国的太阳能发电应用正不断扩大。1.2国内外研究现状1.2.1光伏发电系统研究现状光伏发电技术是根据光生伏打效应制作出来的。太阳能发电就是通过利用光伏阵列将太阳辐射能量转化为电能的一个过程8。太阳能发电系统可分为独立系统、并网系统和混合系统三种。独立运行发电系统是指光伏发电系统不与电网相连接，太阳能电池的输出功率经过变换器之后直接提供给负载使用的太阳能发电系统。并网运行发电系统是指太阳能发电系统与大电网相连接，将太阳能电池的输出经过逆变器变换之后产生与网电压同幅值、频率和相位的电流，输送给电网和交流负载使用的发电系统。对于太阳能发电系统，并网发电系统和独立发电系统的基本拓扑相同。太阳能发电系统主要由光伏阵列、DC/DC变换器和 DC/AC 逆变器等组成9。太阳能发电系统有很多优点，诸如性能稳定可靠、寿命较长、安装维护简单方便等特点。这主要是由于太阳能发电系统使用电力电子器件，这些器件可靠性高且简单实用。任何需要电源的场合都可以用到太阳能光伏发电技术，光伏电源的应用随处可见，大型太阳能发电系统如空中的航天器、发电站等。中型发电系统如太阳能路灯、交通工具的充电桩等，小型太阳能发电系统如家中常用的电子设备、儿童使用的玩具等10。图1-1 独立太阳能发电系统结构图如图1-1所示独立太阳能发电系统内部结构，主要由太阳能电池阵列、DC/DC 变换器、蓄电池、DC/AC逆变器等部分组成，应用于地处偏僻、电能供应不足的地区。其基本工作原理为：光伏阵列首先将接收到的能量直接转换成电能供给负载，一部分能量经过离网逆变器进行逆变，逆变后供应交流负载使用，另一部分能量经过其他直流变换器为直流负载提供能量，最后将多余的能量储存在蓄电池中。在夜晚或太阳辐射能量不足的阴雨天时，蓄电池中的能量经过变换后直接供给负载使用。这种系统的优点在于简单、便于操作、应用范围广阔等，其劣势在于能量密度小、管理分散、前期投资和成本较高以及受天气影响大。图1-2并网运行光伏发电系统结构图如图 1-2所示的并网发电系统有两种类型，一种是大型光伏并网发电系统，如光伏电站等，另一种是小型光伏发电系统，如家庭发电系统。其中大型并网光伏发电系统发展较为缓慢。主要是因为大型光伏发电系统成本较高、投资巨大、占用土地面积较大以及建设周期较长等因素的限制。但是现在，这种新能源技术正被国家大力鼓励发展11。这种太阳能发电系统还可以分为带储能环节发电系统和不带储能环节发电系统，带储能环节发电系统容量更大，发电更加稳定，不带储能环节发电系统发电成本低，但是受天气影响较大，电网容易发生故障12。并网发电系统主要由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、蓄电池等部分组成。其工作原理为：光伏变换器将太阳能电池板输出的电能经过 DC/DC变换器后转变成适配于并网的直流电，然后经过逆变器向电网输出与电网电压同频同相的正弦交流电，供给电网负载使用。以上所有的光伏变换器中均含有最大功率跟踪算法，以保证太阳能电池板输出的功率最大化。1.2.2光伏变换器拓扑与模型对于有储能环节的光伏系统，设计一种性能良好的DC/DC变换器非常重要。这种变换器不仅能够在日照强度良好时寻找太阳能电池的最大功率点，并在一定程度上对蓄电池进行充电，当蓄电池充电接近满值时光伏变换器能够实现对电池的涓流充电。很多文献中都将光伏变换器的负载设计为恒定电阻，而不是蓄电池。文献13-16中均以蓄电池作为光伏变换器的负载，文献16中提出了一种节约成本、高效的最大功率跟踪算法，并将该算法应用于Buck电路的拓扑上，但是文中并没有对光伏变换器进行建模，仅有实验结果。文献15中将提出的算法应用于太阳能分布式发电系统中，分别分析了Buck和Boost电路的工作原理与控制情况，并进行建模控制，但是该模型不准确。文献14中提出了一种电流反馈型的最大功率跟踪控制，这种控制考虑到了在最大功率点附近由于负增长的阻抗值导致的系统不稳定情况，通过电流反馈控制提高系统的稳定性。文献13中对整个回路进行了分析，并设计相应的补偿回路。文中控制部分主要由模拟电路完成，最大功率跟踪部分由数字控制器完成。1.2.3最大功率跟踪算法研究现状最大功率跟踪算法，即MPPT控制算法，尤其是局部阴影条件下最大功率跟踪算法是在光伏发电这一研究领域中研究的热点17。其主要目标是保证太阳能电池板在光照条件下输出功率最大化。对于太阳能电池板，主要特征在于太阳能电池的伏安曲线是一条非线性的曲线，这导致在P-V曲线上有特殊的最大功率点，这个功率点与温度、光照有很大的关系。由于一天中温度、光照条件不断变化，再加上太阳能电池板的制造成本较高、转换效率较低，有必要设计一种电路以及相关算法，使调节太阳能电池板的输出始终在最大功率点。通常太阳能电池要与相应的DC/DC变换器连接，这样既能保证与后级变换器可靠连接，又可以通过变换器中的算法实现太阳能电池的最大功率跟踪。人们提出许多最大功率跟踪的方法，主要分为两个个大类。第一大类为传统的最大功率跟踪算法及其改进算法。这类算法包括扰动观察法(P&O)或者爬山法18、电导增量法19、短路电流法、开路电压法20、纹波关联法、极值轨迹搜寻法21等方法。这些算法中的一部分对于统一光照强度下最大功率跟踪有很好的追踪效果。另一类为能够应用于局部阴影条件(PSC)下的最大功率跟踪算法。对于太阳能电池板，当其处于光照强度一定、温度一定的情况下时，其输出特性有且只有一个最大功率点，但是由于存在日照不均、温度差异等情况，太阳能电池板的输出特性与理想情况有较大差距，其I-V和P-V特性均发生很大变化。因此近几年国内外对于局部阴影条件下最大功率跟踪开始进行研究并提出了多种跟踪方法。提出的算法有粒子群算法、直接搜寻法、斐波那契算法、混沌算法等多种基于太阳能电池I-V和P-V特性曲线的算法。在阴影条件下光伏阵列的最大功率点跟踪技术研究，成为众多研究专家的关注领域。经过近些年的研究，已经取得了一定的成果22。在局部阴影条件下最大功率跟踪主要分为两类，第一类属于对传统最大功率跟踪方法的拓展。其控制算法可以归结为如下三种：(1)周期性复位与周期性曲线扫描。最简单的全局最大功率跟踪方法就是对整个P-V曲线进行扫描，寻找并记录最大功率点。文献23中提出了一种3点增量扰动观察法(3PI-P&O)，这种算法在扰动观察法的基础上进行了改进，它将原始的两点式扰动观察法变为三点扰动观察法，这种方法在一定程度上提高了最大功率跟踪的效果，但是这种方法有可能运行在局部最大功率点附近。因此作者加入了在5-10分钟后重新进行最大功率搜索。文献24中同样使用了周期搜寻的方法，每一个周期持续1-15分钟不等。当寻找到全局最大功率点附近时，选择扰动观察法进行寻找。该文中利用变换器的输入特性，构建不同的条等功率曲线，当该功率曲线与实际P-V曲线相切时对应的电压为最大功率点电压。以上是对整个P-V曲线进行周期扫描的算法，还有一些算法是对I-V曲线进行扫描。文献25对整个I-V曲线进行测量，并从中寻找全局最大功率点。对于这种算法，需要速度和精度足够高的模数转换器的控制器，应用起来其成本也相对较高。文献26中通过周期扫描P-V曲线以及文献27中加入阻抗扫描电路来获得I-V曲线，这些对整个P-V和I-V特性曲线进行扫描的算法会引起一定的功率损耗。除此之外，这些算法通常需要加入一些额外的电路。周期性复位以及曲线扫描的方法会提高传统最大功率跟踪的速度，而且最小程度的增加系统的复杂性及成本。但是这一类算法不能保证跟踪到全局最大功率点。(2)大范围寻找。另一种简单的能够在局部阴影条件下寻找最大功率点的方法包括：扩大搜索范围25, 28, 29或者寻找合适区域30, 31。在文献31中利用极值搜寻法(ESC)并将其扩展至每一个搜寻范围来确定最大功率点。每一次扩大搜寻范围都会增加搜寻时间，这会不可避免的增加搜寻过程中增加的功率损耗。文献32中提出先寻找左侧第一个最大功率点，之后寻找右侧最大功率点的方法，这种方法有可能会出现扫描整个P-V曲线的情况，其不足与周期扫描类似。(3)两级搜寻法。两级搜寻法是近十几年提出的一种新方法，它有效的提升了传统算法在局部阴影条件下最大功率点的跟踪情况33-40。这种算法使用第一级最大功率选取全局最大功率点附近，再将传统最大功率跟踪方法应用于第二级寻找最大功率点。文献40中构造了一条线性方程，当局部阴影发生时，光伏变换器将调节线性方程以寻找最适合功率点，之后用变步长电导增量法寻找最大功率点。文献41中加入了开关阻抗电路。当局部阴影发生时，控制电路可以寻找到全局最大功率点附近，在第二级使用传统最大功率点跟踪就可以完成跟踪。使用这种方法的缺点在于增加了额外的控制电路，并且在I-V曲线追踪过程中浪费了能量。许多两级搜寻法使用了建立负载线的方法，这种方法可能会导致跟踪过程中无法找到全局最大功率点，而找到局部最大功率点。文献32提出根据全局最大功率点的位置在建立的负载线中增加一个系数以区分不同的最大功率点。使用负载线的方法需要检测短路电流和开路电压，也就是需要周期性的测量。两级搜寻的方法提高了最大功率跟踪的性能，但是在某些特定的情况下会出现无法寻找全局最大功率点的情况以及调节负载线时出现的功率损耗。第二类方法是专门针对局部阴影条件下最大功率跟踪设计的算法，这些算法是为了解决寻找全局最大功率点的问题。这类算法主要包括矩形分隔法(DIRECT)42、斐波那契算法、人工智能算法等。线性搜寻法主要包括矩形分割法和斐波那契查找法，这一类算法可以归结为调节光伏变换器使其工作在一个限定区域，并通过一定的算法确定变换器限定工作区的范围。矩形分隔法的基础是太阳能电池板的输出特性服从利普希茨连续。矩形分隔法利用数学方法将需要搜寻的区域分隔成相等的三块，之后逐步寻找可能的最大功率点位置(POI)，其使用的数学限定条件为： (1-1) (1-2)寻找的范围将会不断缩小并且不重新划分，直到寻找到最大功率点。文献42是这种算法的代表，它应用纯数学方法并且跟踪速度较快，但是它有一定的缺点。这种方法有可能出现无法寻找到最大功率跟踪的情况。虽然作者使用了简单的数学表达式来寻找最大功率点，但是为了保证寻找到全局最大功率点，作者增加了许多限定条件。作者提出在搜索区间内分成九个部分进行搜索，但是如果两个可能的最大功率点位置信息不相邻，那么将会区分27个区间，如果两个可能的最大功率点位置相邻，那么很容易找到全局最大功率点。相比于矩阵分割法，斐波那契查找法通过斐波那契数列进行分割，使电压的分割范围满足： (1-3) (1-4)其中和分别代表第和第次斐波那契序列。文献43和文献44使用了分割搜寻的方法。文献43中使用随机数的方法在六个分割区域内进行采样，寻找最大的功率点，然后再进行分割，直到找到最大功率点。文献44则是利用太阳能电池板的特性进行分割扫描。由于局部阴影条件下最大功率点的搜寻与跟踪可以认为是对多个最大功率点优化与选择。利用人工智能控制是另一种应用于局部阴影条件下的算法，其包括人工神经网络(ANN)，模糊控制(FLC)，遗传算法(GA)，差分进化算法(DE)，粒子群优化算法(PSO)，蚁群算法(ACS)以及混沌搜索(CS)。人工神经网络(ANN)45, 46利用人工神经元相互连接的功能模拟生物的神经网络的算法。人们将太阳能电池板的信息，诸如光照、温度等输入，就可以得到最大功率点的位置。对于微控制器而言，利用线性方程来获得数据的传递与转换。人工神经网络的优点在于它并行计算的能力，而不需要大量的迭代。但是如果神经网络的训练不足，将会出现最大功率跟踪失配的情况。如果太阳能电池板的结构发生变化，神经网络算法必须被重新迭代计算，而且为了获得最大功率点日照强度和温度需要加入算法中进行运算，而温度及光照传感器会大大增加系统成本。模糊控制(FLC)47-53是一种非常适合非线性、时变以及不完全模型的算法，能够有效的应对局部阴影条件。这种算法的优势在于能够快速、准确的追踪最大功率点。但是对于隶属度的区分较为复杂。遗传算法(GA)用来优化模糊控制或者人工神经网络算法。文献54使用这种算法来解决局部阴影的问题，与其他算法相比，遗传算法相对较为复杂，在微控制器上较难实现。和遗传算法相比，差分进化算法(DE)相对较为容易实现。粒子群优化算法(PSO) 是一种基于迭代法的优化方法，将带有惯性权重系数的粒子群算法应用于复杂条件下光伏最大功率点跟踪，可将光伏电池的输出电压看作不断飞向最大功率点工作电压的飞行粒子55。这种算法在每一次迭代中趋向两个极限值，第一个是个体找到的最优值pbest，第二个是整个粒子群找到的最优值gbest，该算法会用如下公式进行迭代。 (1-5) (1-6)其中是趋近速度迭代了k次的值，w是惯性权重，c1和c2是加速度系数，这个系数引导整个搜索向pbest和gbest两个方向进行收敛。在这一类所有算法中，粒子群优化算法是应用的最多的一种，这种算法即可以应用在分布式光伏发电系统中56-58，又可以用在集中式光伏发电系统中59-62。文献58中使用了自适应的粒子群优化算法，但是自适应粒子群算法较为复杂，文中只有仿真结果。其他文献则采用了最基本的粒子群优化算法，可以看出，这种算法易于在微控制器上实现，并且能够适应由于阴影引起的全局最大功率点变化，减少稳态振荡61。文献60将随机加速度系数变为一个确定值来提高追踪速度。粒子群优化算法也有一定的缺陷，如果初始选择不当的话，算法有可能追踪到局部最大功率点56, 63。1.2.4局部阴影条件检测研究现状在很多文献中对于局部阴影条件的检测经常被忽视，这主要是因为检测过程中系统的状态量是时变的，比如光照强度的突变会引起变换器工作状态、输出特性等一系列的变化，这些非稳态通常被研究的很少。但是局部阴影发生或消除是不可避免的情况，为了降低在变化过程中出现的功率损耗以及提高最大功率跟踪过程中的损耗，不少学者提出了判别太阳能电池上光照强度突变的方法。局部阴影条件检测的方法见附录I。通过测试不同的情况可以判别光伏变换器是否检测大局部阴影的发生以及是否开始重新搜寻。附录中第一种测试方法为日照强度由大变小，没有局部阴影发生；第二种测试方法为从局部阴影条件变为无局部阴影条件；第三种测试方法为正常日照强度变为局部阴影条件发生；第四种测试方法为局部阴影条件下全局最大功率点由中间向右侧移动；第五种测试方法为局部阴影条件下全局最大功率点由中间向左侧移动64。1.3主要研究内容由于现有研究对光伏变换器输入电压控制研究不足以及对局部阴影下最大功率跟踪有一定缺陷或不适合应用于微控制器，本文对太阳能电池板到储能设备间的DC/DC变换器进行研究，分析了光伏变换器的工作模式，建立了光伏变换器的小信号模型，对光伏变换器的控制方法进行改进，其中重点分析了太阳能电池尤其是局部阴影条件下的工作特性，改进了最大功率跟踪算法，设计并提高了局部阴影条件下最大功率跟踪的速度和精度。全文的主要研究内容如下：(1)详细介绍本文的研究背景以及国内外研究现状。本文从光伏发电系统、光伏变换器拓扑、最大功率跟踪算法和局部阴影条件下最大功率跟踪四个方面阐述了光伏变换器国内外研究现状，着重对最大功率跟踪算法尤其是局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行了介绍。(2)针对光伏变换器的技术指标，对光伏变换器的整体方案进行了设计。比较了不同光伏变换器的拓扑，分析了控制拓扑的优劣，选取了适当的电路拓扑以及最大功率跟踪算法。(3)对最大功率跟踪算法，尤其是局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行了分析。分析光伏变换器的工作过程，并对恒流充电下光伏变换器进行建模，分析了电感电流连续和不连续两种状态下光伏变换器的模型，设计了对应的补偿控制器。分析了太阳能电池板的输出特性，对太阳能电池板输出特性进行了数学拟合。对光伏变换器在统一光照条件下最大功率跟踪进行了分析，并改进了电导增量法。最后对局部阴影条件下最大功率跟踪算法进行改进，设计并通过仿真验证了该算法的准确性。(4)对光伏变换器的实验结果进行分析。通过测试太阳能电池板输出特性、光伏变换器开关管电压以及电感电流、机箱运行温度以及最大功率跟踪情况，验证了理论分析的正确性。第2章 光伏DC/DC变换器建模与设计本章首先提出光伏变换器工作及运行状况的技术指标，在该技术指标上设计和分析光伏变换器拓扑结构，选择最适合的电路拓扑。最后对最大功率跟踪算法进行分析和设计。2.1光伏DC/DC变换器技术指标及总体结构本文设计一种光伏变换器，该变换器能够对接入的太阳能电池板实现最大功率跟踪，并以输出电流的形式将电能传至直流母线。太阳能电池的技术指标如下表2-1 太阳能电池板输出特性太阳能电池板名称XZXT-300/M最大功率300W开路电压44.7V短路电流8.5A最大功率点电压35.6V最大功率点电流8.15A重量24kg本设计中通过太阳能电池板串联的方式获得较高电压，采用7个太阳能电池板串联的方式可以获得321.9V的开路电压，在标准日照条件下，太阳能电池板输出的最大功率为2100W。光伏变换器的负载为蓄电池，蓄电池的电压范围为340-420V。因此可以获得光伏变换器主要技术指标，该技术指标如表所示表2-2 光伏变换器技术指标输入电压100-320V输入电流0-8.5A输出电压340-420V输出电流0-5A最大输出功率2100W开关频率20kHz2.2光伏DC/DC变换器拓扑设计在直流DC/DC变换器中，可以分为隔离型拓扑和非隔离型拓扑，其中非隔离型的基本拓扑有Buck、Boost、Buck-boost、Cuk、Zeta和Sepic。其中Cuk、Zeta和Sepic拓扑中含有多个电容或电感，其传递函数为高阶传递函数，控制相对较为复杂。隔离型拓扑主要有反激、正激、半桥以及全桥。反激拓扑由于变压器的限制，其主要应用在小功率的场合，而且反激变换器的工作效率较低，输出电压调整率较高，不适合应用在大功率光伏变换器上。正激拓扑可以应用于大功率的场合，但是正激变换器需要增加磁复位绕组，由于变压器存在漏感，正激变换器的开关管需要承受较高的应力。全桥和半桥拓扑相似，全桥拓扑较半桥拓扑有更高的电压利用率，但是这两种拓扑使用的开关管数量较多，经济成本较大。对于光伏变换器而言，其输入电压范围很宽，为了满足算法上的需求，要求光伏变换器能将较低的输入电压提升至较高电压，Buck、Boost和Buck-boost这三种拓扑中只有Boost和Buck-boost拓扑适合升压结构。Buck-boost电路是一种能够升降压的拓扑，但是这种电路输入与输出电流都有较大波动，产生的电磁干扰较大。综上所述，选用Boost电路作为光伏变换器的升压电路较为合适。其电路连接如图2-1所示：图2-1 光伏DC/DC变换器连接图由图2-1可知，光伏变换器内部不仅包含一个Boost电路，其内部还含有一个防止电流倒灌的二极管。2.3光伏DC/DC变换建模与控制光伏变换器的主电路为Boost升压电路，其主要功率器件工作状态如图2-1所示。横坐标由上至下分别为占空比、电感电流、开关管两端电压和二极管两端电压。图2-2 光伏变换器主要元件工作状态如图2-2光伏变换器有两种不同的工作状态，每一种工作状态功率器件承受的耐压不同，因此对不同的工作状态需要不同的分析。光伏变换器的主电路设计主要包括开关管、续流二极管、输入电容、输出电容、升压电感参数设计与选型。2.3.1光伏DC/DC变换器参数设计电感作为光伏变换器中主要储能以及能量传递的元件，其作用非常重要。由电感的工作状态可以将电路分为CCM模式和DCM模式两种状态，这两种状态的区别在于电感电流是否到零。对于光伏变换器主要工作状态应当为CCM模式。电感电流波形如图2-2所示，在开关管开通的时间内，电感电流上升。而输入电流为电感电流峰峰值的一半。当输入电流较小时，会有电感电流的最小值为零的情况发生，此时变换器工作在断续模式(DCM)下。电感上的纹波电流对变换器的损耗、体积、成本等有很大的影响。由于太阳能电池的输出特性，在标准光照条件下，当输出电压较低时，太阳能电池可以等效为一个恒流源，因此光伏变换器最大输入电流为太阳能电池的短路电流。取。考虑光伏变换器在工作中出现波动等情况，取直流偏置电流。由能能量守恒定律可知，光伏变换器稳定工作时电感吸收的能量和释放的能量相等，因此有 (2-1)电感L在实际中由于漏磁等非理想情况的存在，电感电流增量设定为65 (2-2)忽略光伏变换器的损耗有 (2-3) (2-4)由式(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)可以推出 (2-5)本文中，开关频率为20kHz。由(2-5)可得，本设计中选取。由于太阳能电池的输出特性近似于一个恒流源，因此需要合适的输入电容保证输入电压的稳定。当开关管工作时，输入电容上的电流会引起波动，因此引起输入电压的波动，造成输入功率测量不准，因此设计合理的输入电容十分重要18。当光伏变换器稳定工作时，电容充电电流等于放电电流，有 (2-6)由电荷守恒可得66 (2-7)可以确定最大占空比 (2-8)将开关管开通期间电感电流上升值带入式(2-6)(2-7)(2-8)可得18 (2-9)其中m为纹波系数，取纹波系数，可以计算出输入电容，考虑实际中电容ESR以及其他非理想参数的影响，取。在电感电流连续模式下，考虑滤波电容有等效串联电阻ESR，以及二极管上纹波电流全都流进电容C。如图2-3所示斜线面积为充电或放电能量67 ：图2-3 CCM模式下输出电容充放电图由形成的纹波可以表示为 (2-10)在设计的纹波电压下，可以计算出最小输出电容 (2-11)由(2-11)计算得到输出滤波电容值为，选取作为输出电容。2.3.2光伏DC/DC变换器模型建立开关变换器的建模、分析与控制是研究开关电源理论及其应用的核心部分68。开关变换器的建模与分析是全面、深入分析和研究开关变换器工作原理和动态特性的基础，开关变换器的控制则是开关变换器设计至关重要的一部分。在最大功率跟踪算法中，光伏变换器的稳定工作程度、响应速度及精度影响最大功率跟踪速度，光伏变换器的控制与模型建立的准确性有很大的关系，可见光伏变换器的建模十分重要。本节设计的光伏变换器一端接入太阳能电池，另一端接入蓄电池。利用戴维宁等效可以将太阳能电池和蓄电池等效为一个电压源和电阻串联的形式。因此整个系统可以等效为如图2-4所示的电路模型。其中，Rg和Rbat分别为电源等效串联电阻，为电感的阻抗。图2-4 光伏变换器电路示意图(1)CCM模式光伏变换器建模利用空间状态平均法可以对Boost电路进行建模。忽略输入及输出电容ESR，电感串联阻抗、开关管导通阻抗和二极管导通压降，并假设电感电流工作在连续模式，在开关管开通时，电感充电。工作状态如图2-5所示。图2-5 开关开通时光伏变换器工作状态示意图电感电压与输入、输出电容电流、分别为 (2-12)在开关管关断时，光伏变换器工作状态如图2-6所示图2-6 开关关断时光伏变换器工作状态示意图电感电压和电容电流分别为 (2-13)由上式可以分别得到变换器的大信号模型和小信号模型，其中大信号模型状态方程为 (2-14)由上式可知，在变换器稳定工作时，依旧满足。小信号模型状态方程为 (2-15)本文中通过控制占空比达到控制输入电压的目的，因此 (2-16)由上述分析可知，在CCM模式下，Boost变换器转折频率为，之后以衰减。(2)DCM模式光伏变换器建模在光照强度较弱或者负载较小时，光伏变换器工作在电感电流断续，即DCM模式下。在该模式下，系统工作情况与连续模式有较大差异。在开关管开通时，即(0,)时间段内有 (2-17)在开关管关断时，如果电感有电流，则该时间段(,)内电感电压和电容电流分别为 (2-18)当电感电流降为零后，在该时间段内(,)有 (2-19)根据变换器始终工作在断续模式下的假设，电感电流在每个周期的起始时刻和终止时刻都为零，即i(0)=i(Ts)=0，根据伏秒平衡原理，必然有 (2-20)又因为 (2-21)且 (2-22)因此 (2-23)所以有 (2-24)在一个周期中断续电感电流的平均值是指其在瞬时值不为零的时间内，即(0,)期间内的平均值。在(0,)和(,)时间段内电感电流的斜率分别为和，因此电感电流的平均值为 (2-25)其中大信号模型为： (2-26)小信号模型为(2-27)可以解得 (2-28)令，利用大信号模型可以解得，上式可化简为 (2-29)在DCM模式下，光伏变换器的工作特性变为一阶模型。2.3.3光伏DC/DC变换器补偿器设计(1)单极点单零点控制器设计单零点单极点控制器的传递函数为，该传递函数的两个拐点为和。对于工作在CCM模式下的变换器，这种调节器只能将系统带宽缩减，而为了保证系统的稳定，需要在处有足够的衰减。对于本系统，若使处有-40dB的衰减，光伏变换器的截至频率仅为几赫兹，因此该控制器不适合CCM模式下运行的变换器。对于DCM模式下运行的变换器，其传递函数仅是一个一阶惯性系统，因此使用单极点单零点控制器可以较容易的进行控制。在日照强度较高的情况下，光伏变换器可能会工作在DCM模式下，此时该光伏变换器输入电压，输出电压，输入电流，可以计算出，此时太阳能电池板输出功率较高。在日照强度较低的情况下光伏变换器一定会工作在DCM模式下，此时会有输入电压，输出电压，输入电流，可以计算出，此时太阳能电池板输出功率较低。由此可以绘制不同输出功率下DCM模式光伏变换器开环波特图，如图2-7所示图2-7 DCM模式下光伏变换器传递函数波特图图2-7中实线代表太阳能电池板输出电压较大时光伏变换器在DCM模式下传递函数波特图，虚线代表太阳能电池板输出电压较小时光伏变换器在DCM模式下传递函数波特图。为了抑制开关噪声对系统的影响，设计该系统的截止频率为开关频率的，即，选取和，经计算K=340。补偿系统的传递函数为 (2-30)对于工作在DCM模式下的光伏变换器，绘制出经补偿后的系统波特图如图2-8所示。可以看出系统的相位裕度为75，截止频率为2.24kHz。取采样频率，离散后有： (2-31)利用Matlab可以计算得相位裕度减小至45度，系统依旧保持稳定。图2-8 DCM模式下补偿后光伏变换器传递函数波特图图2-8中长虚线为光伏变换器输出电压为380V，输出电流为1A时的波特图，短虚线为光伏变换器补偿器传递函数波特图，实现为光伏变换器补偿后的波特图。(2)双极点双零点控制器设计双极点双零点控制器传递函数为。在CCM模式下，由于系统在处有有双重极点，因此利用双极点双零点控制器可以有效抑制由于该极点产生的振荡，以及抑制开关纹波产生的影响。在日照非常强烈的条件下，光伏变换器输入电压，输出电压，输入电流，此时，光伏系统的极点位置仅与输出电压、输入滤波电容、输入电感有关。考虑到负载为蓄电池，其电压变化范围为360-420V，可以绘制出系统波特图如图2-9所示。其中实线表示输出电压为360V时系统传递函数波特图，虚线表示输出电压为420V时系统传递函数的波特图。图2-9 CCM模式下光伏变换器传递函数波特图可以选取，即补偿器两个零点分别在系统固有极点的两侧等距分开。为了保证系统以-20dB/dec过零，以及抑制开关噪声产生的影响，选取。要使光伏变换器在CCM模式和DCM模式下有相同的带宽，则在CCM模式下系统在处增益为0dB。经计算K=34.27。该传递函数为： (2-32)由图2-10中可以看出，经过补偿后，系统截至频率为2.29kHz，相位裕度为43.6，幅值裕度为17.4dB。取采样频率为20kHz，离散化后可得 (2-33)图2-10 DCM模式下补偿后光伏变换器传递函数波特图图2-10中长虚线为光伏变换器输出电压为380V，输出电流为5.5A时的波特图，短虚线为光伏变换器补偿器传递函数波特图，实现为光伏变换器补偿后的波特图。如图所示，设计光伏变换器的给定从215V到225V变化，太阳能电池板的光照强度分别为200和1000 W/m2，即光伏变换器分别工作在DCM模式和CCM模式下，可以看到光伏变换器的控制情况。在CCM模式下，当给定突然增大，可知光伏变换器调节的上升时间tr=2.2ms，超调量为10.2%。在DCM模式下，调节时上升时间tr=4.2ms，超调量为6%。图2-11 不同模式下光伏变换器响应图由图2-11中可以看出，不论是在CCM还是在DCM模式下，光伏变换器达到目标值时间很短，其调节速度很快，仿真结果能够满足设计需求。在DCM模式下，由于光照强度较低，太阳能电池板输出的最大电流受到限制，输入电压上升的速率受到太阳能电池板输出电流的限制，因此相比于CCM模式，其调节时间较长。2.4本章小节本章主要对光伏DC/DC变换器进行了分析与设计，选取了功率器件的数值，建立了光伏DC/DC变换器的小信号模型，设计了对应的补偿器。分析了光伏DC/DC变换器的响应速度，为最大功率跟踪控制时间的确定提供依据。第3章 基于电导增量法的最大功率跟踪算法设计与改进3.1太阳能电池板建模3.1.1太阳能电池的工作原理太阳能电池是一种将太阳能转换为电能的转换器，它主要是由一块大的硅P-N节组成。在太阳光的照射下，太阳能光伏电池会产生电压。太阳能电池是利用光激发少数载流子通过P-N结而发电的。对于P-N结中两种半导体接