鄭明才 ，趙小超 ，2，胡恩博 ，鄭金兵

（1.湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410205；2.湖南大學(xué)數(shù)學(xué)與計量經(jīng)濟(jì)學(xué)院，長沙410082；3.中國電子科技集團(tuán)第48研究所，長沙410111）

Boost結(jié)構(gòu)太陽能收集電路的MPPT控制方法研究

鄭明才1，趙小超1，2，胡恩博1，鄭金兵3

（1.湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，長沙410205；2.湖南大學(xué)數(shù)學(xué)與計量經(jīng)濟(jì)學(xué)院，長沙410082；3.中國電子科技集團(tuán)第48研究所，長沙410111）

針對太陽能收集電路的收集效率和可實現(xiàn)性問題，提出一種Boost結(jié)構(gòu)太陽能收集電路的MPPT控制方法。利用Boost電路PWM工作時的升壓作用將光伏電池生成的電能強制性儲存于大容量電容中，為光伏電池生成電能的最大化收集提供實現(xiàn)可能。通過實時檢測光伏電池等效狀態(tài)和收集電路等效負(fù)載確定Boost電路的MPPT控制脈沖最優(yōu)占空比，迫使收集電路實時工作在光伏電池的MPPT工作點附近，盡可能達(dá)到提高太陽能電收集效率的目的。通過分析收集電路工作過程，給出了光伏電池等效狀態(tài)和收集電路等效負(fù)載的實時檢測方法以及MPPT控制脈沖最優(yōu)占空比的確定方法。理論分析和實驗結(jié)果表明，該控制方法下的Boost結(jié)構(gòu)太陽能收集電路的收集效率高、實現(xiàn)容易。

太陽能收集；Boost電路；MPPT控制；最優(yōu)占空比

資源的緊缺和能源成本的持續(xù)增長使得光伏發(fā)電成為新能源行業(yè)的研究熱點之一。光伏發(fā)電涉及的技術(shù)問題很早就受到人們的重視及研討，并不斷提出新的解決方案[1]。在光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)中，太陽能的最大功率跟蹤MPPT（maximum power point tracking）控制是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)能量輸出效率亟需解決的首要問題。由于光伏電池的最大功率點隨光照強度和環(huán)境溫度動態(tài)變化，以及輸出負(fù)載的復(fù)雜動態(tài)變化，如何讓光伏電池實時工作在最大功率點涉及復(fù)雜的控制問題[2]。考察已提出的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤方案[3]，雖然各具特色，但在動態(tài)跟蹤的快速性和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度等方面仍顯不足，常用的擾動觀測法 Pamp;O（perturb-observe）[4]和增量電導(dǎo)法 INC（increment conductance）[5]等自尋優(yōu)策略也存在跟蹤的快速性和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度的矛盾，引發(fā)可實現(xiàn)性和效率等問題。為了克服這些問題，出現(xiàn)了許多智能控制方法[6]，但大都顯得比較復(fù)雜而不便于實際應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)困難，開發(fā)具有更優(yōu)良動態(tài)及靜態(tài)特性的、易實現(xiàn)的MPPT控制方法成為研究人員尤其是工程技術(shù)人員不懈的追求[7-8]。在現(xiàn)有研究中，結(jié)合具體實現(xiàn)方式的MPPT控制方法研究還不多見，有待進(jìn)行深入而有針對性的研究。

本文結(jié)合當(dāng)前主流技術(shù)水平，從提高太陽能電收集效率和收集電路的易實現(xiàn)性出發(fā)，針對Boost結(jié)構(gòu)的太陽能收集電路提出一種易實現(xiàn)的MPPT控制方法。收集電路利用Boost電路的升壓作用，盡可能多地收集電能，通過MPPT控制方法盡可能地提高收集電路的電收集效率，通過MPPT控制脈沖最優(yōu)占空比預(yù)存儲的方式簡化實時控制時的控制脈沖寬度計算，從而提高系統(tǒng)實現(xiàn)的實時性、高效率和易實現(xiàn)性，克服傳統(tǒng)常用MPPT控制方法因步長選擇不同而導(dǎo)致的跟蹤速度和跟蹤精度的矛盾。

1 太陽能收集電路設(shè)計與分析

1.1 太陽能收集電路設(shè)計

為實現(xiàn)光伏電池的最大電功率輸出，要求光伏電池等效負(fù)載與等效內(nèi)阻滿足相應(yīng)的阻抗匹配條件，但實際應(yīng)用中，光伏電池的實際內(nèi)阻和負(fù)載是獨立動態(tài)變化的，導(dǎo)致簡單的阻抗變換電路無法滿足動態(tài)阻抗匹配的要求，需在光伏電池和其負(fù)載間加入特殊的調(diào)節(jié)電路才有可能實現(xiàn)。綜合已有的研究成果[9-14]，高頻PWM開關(guān)變換電路可以實現(xiàn)該功能。本文重點研究太陽能的電收集。為高效收集太陽能，實現(xiàn)光伏電池的最大電功率輸出，在光伏電池與儲能電容間加入高頻PWM開關(guān)控制的非隔離Boost電路，根據(jù)光伏電池和等效負(fù)載實時狀態(tài)調(diào)節(jié)Boost電路的PWM控制脈沖寬度以實現(xiàn)阻抗匹配，達(dá)到MPPT控制的目的，收集電路的等效模型如圖1所示。圖中，Ui為光伏電池的等效受控電壓源，Ri為光伏電池的等效敏感電阻，L為儲能電感，C為大容量儲能電容，D為電能收集隔離二極管，Q為MOS開關(guān)管，RS為光伏電池輸出電流采樣電阻，Rfz為收集電路等效輸出負(fù)載，CPU為MPPT控制核心，A/D為狀態(tài)檢測的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器件。

圖1 太陽能收集電路等效模型Fig.1 Equivalent model of solar energy collecting circuit

1.2 太陽能收集電路分析

在高頻PWM控制脈沖的控制下，Boost電路的工作過程分為開關(guān)管Q導(dǎo)通和關(guān)斷2個階段，在不同的階段，收集電路有不同的運行行為。

在開關(guān)管Q導(dǎo)通階段，收集電路中的電感電流iL（t）和電容電壓 uC（t）可分別表示為

式中，t0為開關(guān)管Q導(dǎo)通階段的起始時刻。

在開關(guān)管Q關(guān)斷階段，收集電路中的電感電流iL（t）和電容電壓 uC（t）可分別表示為

式中：t0為開關(guān)管Q關(guān)斷階段的起始時刻；uD為二極管D承受的正向壓降；UDth為二極管D正向?qū)〞r的壓降；λ1、λ2和 c1、c2分別為參數(shù)，表示為

2 太陽能收集電路MPPT控制

2.1 收集電路MPPT控制的最優(yōu)占空比

光伏電池生成的電能中，一部分被光伏電池等效內(nèi)阻和收集電路本身消耗，另一部分被收集電路儲存或供給負(fù)載。Boost電路收集的有效電能為儲能電容C中儲存的能量和負(fù)載Rfz消耗的能量之和，即

收集電路收集的能量與控制脈沖占空比有關(guān)，在一個PWM周期內(nèi)收集的能量可表示為

式中：Dc為PWM控制脈沖占空比；Ts為PWM周期。

當(dāng) dξp（Dc）/dDc=0 時，可得 PWM 周期內(nèi)收集能量最多時的脈沖占空比 DCM，它與 Ri、Rfz、Rs、L、C 相關(guān)，當(dāng)收集電路元件參數(shù)Rs、L、C確定后，DCM主要由動態(tài)變化的Ri、Rfz決定，其關(guān)系可表示為

2.2 最優(yōu)占空比的實時確定方法

要最大化收集電路收集的能量，需尋找最優(yōu)的PWM控制脈沖占空比，使ξ（t）在每個PWM周期內(nèi)的取值最大化。由于Boost電路為開關(guān)電路，若要用解析的方式求解最優(yōu)控制脈沖占空比極其困難，需用其他近似求解方式進(jìn)行控制脈沖占空比的尋優(yōu)。研究發(fā)現(xiàn)，電路可確定性元件參數(shù)選定后，最大功率輸出時的PWM控制脈沖占空比與光伏電池的等效內(nèi)阻Ri和收集電路的等效負(fù)載電阻Rfz存在基本固定的單調(diào)值對應(yīng)關(guān)系，可事先計算出不同Ri和Rfz關(guān)鍵場景下的最優(yōu)控制脈沖占空比以供實時MPPT控制時近似計算控制脈沖寬度使用。

確定光伏電池的實際等效內(nèi)阻時，可在每個PWM控制周期內(nèi)，檢測開關(guān)管Q導(dǎo)通起止時刻的光伏電池端電壓和輸出電流，經(jīng)過計算得到，其求解方程組為

式中，t0和tp分別為某個脈沖的起始時刻和終止時刻。

由式（12）可得光伏電池在測量時段的等效狀態(tài)為

收集電路等效負(fù)載Rfz可根據(jù)開關(guān)管Q導(dǎo)通階段的測量值 uc（to）和 uc（tp）近似求得，即

考慮到實現(xiàn)的實時性和難易程度，具體實現(xiàn)時，式（14）可簡化為

獲得光伏電池等效狀態(tài)和收集電路等效負(fù)載后，可根據(jù)Ri和Rfz確定控制脈沖的最優(yōu)占空比，并根據(jù)最優(yōu)占空比和PWM頻率確定控制脈沖寬度。由于存儲備用的最優(yōu)占空比的場景數(shù)量有限，不可能涵蓋任意（Ri，Rfz）場景，實際場景（Ri，Rfz）時的最優(yōu)控制脈沖占空比 DCM（Ri，Rfz）可根據(jù)直接鄰近的 4 個存儲場景（Ri1，Rfz1）、（Ri1，Rfz2）、（Ri2，Rfz1）、（Ri2，Rfz2）近似確定，圖2為實際場景與4個直接鄰近存儲場景（Ri1，Rfz1）、（Ri1，Rfz2）、（Ri2，Rfz1）、（Ri2，Rfz2）以及4 個中間場景（Ri，Rfz1）、（Ri，Rfz2）、（Ri1，Rfz）、（Ri2，Rfz）的關(guān)系。

圖2 實際場景與鄰近存儲場景以及中間場景的關(guān)系Fig.2 The relationships among the actual scene and the adjacent storage scene and the middle scene

實際場景（Ri，Rfz）時的最優(yōu)占空比 DCM（Ri，Rfz）的確定過程如下：

首先，根據(jù)實際場景（Ri，Rfz）查詢出 4 個直接鄰近存儲場境 （Ri，Rfz1）、（Ri1，Rfz2）、（Ri2，Rfz1）、（Ri2，Rfz2）；

其次，根據(jù)實際場境和4個直接鄰近存儲場境確定 4 個中間場景（Ri，Rfz1）、（Ri，Rfz2）、（Ri1，Rfz）、（Ri2，Rfz）；

然后，根據(jù)4個直接鄰近存儲場境的最優(yōu)占空比近似計算出4個中間場景的最優(yōu)占空比DCM（Ri，Rfz1）、DCM（Ri，Rfz2）、DCM（Ri1，Rfz）、DCM（Ri2，Rfz），計算公式分別為

最后，根據(jù)4個中間場景的最優(yōu)占空比近似計算出實際場境（Ri，Rfz）時的最優(yōu)占空比 DCM（Ri，Rfz），即

3 實例分析

結(jié)合目前主流技術(shù)水平和應(yīng)用情況，針對圖1所示的Boost結(jié)構(gòu)太陽能收集電路，選擇元件參數(shù)的情況如表1所示。

表1 太陽能收集電路元件及參數(shù)Tab.1 Components and parameters of collecting circuit

借助仿真計算軟件，得到不同（Ri，Rfz）關(guān)鍵場景下對應(yīng)最大功率傳輸時的最優(yōu)控制脈沖占空比，如表2所示。收集電路運行時的主要關(guān)系和結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3為不同關(guān)鍵場景下最優(yōu)占空比與Ri和Rfz的對應(yīng)關(guān)系。由圖3可見，當(dāng)Rfz不變時，Ri越大，最優(yōu)占空比越小；當(dāng)Ri一定時，Rfz越大，最優(yōu)占空比越大。這是因為Boost結(jié)構(gòu)太陽能收集電路中，電感儲能的大小受Ri大小和開關(guān)管導(dǎo)通時長影響，電感釋放能量的多少受Rfz大小和開關(guān)管關(guān)斷時長影響。當(dāng)電感在每個開關(guān)周期儲能最多、釋放能量最徹底時，收集的電能最多，當(dāng)Ri小時，電感儲能階段的時間常數(shù)大，MPPT控制需要控制脈沖的占空比大；當(dāng)Rfz小時，電感能量釋放快，需要的電感釋放能量的時長可以短，而增加電感儲能時長可以增加電感的儲能量，所以MPPT控制時的控制脈沖占空比大。

表2 不同Ri和Rfz時MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比Tab.2 MPPT optimalcontrolpulse duty cycle at different key scene of Riand Rfz

圖3 不同場景下的MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比Fig.3 The optimal MPPT control pulse duty cycle

圖 4 為不同（Ri，Rfz）時的 MPPT 最優(yōu)控制脈沖占空比關(guān)系曲面。由圖可見，MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比在不同（Ri，Rfz）情況下具有單調(diào)性，說明根據(jù)直接鄰近存儲場景近似計算實際場景時的MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比具有實際可行性和有效性。當(dāng)控制精度要求較高時，可通過適當(dāng)增加存儲場景粒度的方式予以保證。

圖4 不同場景下的MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比曲面Fig.4 The curved surface for MPPT optimal control pulse duty cycle of different scenarios

圖5為光伏電池等效內(nèi)阻Ri=5 Ω、等效輸出負(fù)載Rfz=100 Ω時，不同控制脈沖占空比下對應(yīng)的能量收集效率。由圖可見，控制脈沖占空比為0.155時，電能量收集效率最高，約為0.39，比理想效率0.5低，這是因為電流采樣電阻以及隔離二極管等元器件消耗了部分能量的緣故。

圖5 不同控制脈沖占空比時的能量收集效率（Ri=5 Ω，Rfz=100 Ω）Fig.5 Energy collection efficiency of different control pulse duty cycle（Ri=5 Ω，Rfz=100 Ω）

圖6所示為太陽能收集電路工作時,電路中的電感電流和儲能電容電壓的響應(yīng)過程。由圖可見，隨著收集電路工作時間的增長，電感電流快速從無到有并逐步增大，在電感電流的作用下，儲能電容的電壓逐漸升高，當(dāng)電容電壓增大到一定值時，阻礙電感釋放能量的趨勢趨于明顯，電感電流從超調(diào)值處開始減小，電容電壓繼續(xù)增加，但增加的速度趨緩；當(dāng)電容電壓進(jìn)一步增加到一定值時，電感電流與等效負(fù)載輸出電流趨于相等，每個PWM周期內(nèi)電感釋放的能量近似等于等效負(fù)載Rfz消耗的能量，電容的充電和放電達(dá)到平衡，電容電壓最終趨于穩(wěn)定，電感電流的均值也趨于穩(wěn)定。

圖6 收集能量最大化時的電感電流和電容電壓Fig.6 The inductive current and capacitance voltage when the collecting energy is maximized

4 結(jié)語

光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能的多少受光照強度和電池溫度影響，借助PWM控制Boost電路可以將光伏電池轉(zhuǎn)換過來的電能收集、存儲起來以供負(fù)載或后續(xù)變換電路使用。在光伏電池的電能收集過程中，為降低光伏電池等效內(nèi)阻耗能引起光伏電池溫度的升高，應(yīng)讓收集電路收集的能量盡可能多，即光伏電池按MPPT輸出；Boost電路應(yīng)根據(jù)光伏電池等效狀態(tài)和等效輸出負(fù)載狀態(tài)自動地確定并工作在相應(yīng)的最優(yōu)控制脈沖占空比下。由于光伏電池等效狀態(tài)及收集電路等效負(fù)載的動態(tài)復(fù)雜性，MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比的精確計算比較困難，為降低系統(tǒng)實現(xiàn)對CPU的要求，本文采取了收集電路可確定性元件參數(shù)確定前提下的關(guān)鍵場景狀態(tài)預(yù)存儲的方式，根據(jù)預(yù)存的關(guān)鍵場景近似計算實時場景下的最優(yōu)控制脈沖占空比，以減小計算復(fù)雜度。但當(dāng)元件參數(shù)存在誤差或改變后，如何快速準(zhǔn)確地自適應(yīng)調(diào)整或?qū)崟r確定Boost電路的MPPT最優(yōu)控制脈沖占空比有待進(jìn)一步深入研究。

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鄭明才

鄭明才（1969－），男，通信作者，博士，教授，研究方向：電力電子與電力傳動、電能質(zhì)量控制，E-mail：dysfzmc@163.com。

趙小超（1971－），女，副教授，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)建模與分析，E-mail：dysfzxc@126.com。

胡恩博（1982－），男，碩士，講師，研究方向：電子信息技術(shù)，E-mail：7253004@qq.com。

鄭金兵（1990－），男，助理工程師，研究方向：傳感器與檢測技術(shù)，E-mail：dysfzjb@126.com。

Research on MPPT Control Method for Solar Energy Collecting Circuit Based on Boost Structure

ZHENG Mingcai1,ZHAO Xiaochao1,2,HU Enbo1,ZHENG Jinbing3
（1.College of Information Science and Engineering,Hunan First Normal University,Changsha 410205,China;2.College of Mathematics and Econometrics,Hunan University,Changsha 410082,China;3.The Forty-eighth Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Changsha 410111,China）

Aiming at the collection efficiency and realizability of solar energy collecting circuit,a method of maximum power point tracking（MPPT） control for solar energy collecting circuit based on Boost structure is presented.The electric energy of photovoltaic cells is mandatory stored in large capacity capacitors by the Boost convertor in PWM working mode,which provides the possibility of maximum power collection.According to the real-time detection values of photovoltaic cells’ equivalent state and collecting circuit’s equivalent load,the optimal control pulse duty cycle for Boost convertor is determined to force the collecting circuit to work near the MPPT operating point of the photovoltaic cells in real time and to achieve the purpose of improving the collection efficiency of solar energy collecting circuit as far as possible.The working process of the collecting circuit is analyzed,the real-time detection methods of photovoltaic cells’ equivalent state and collecting circuit’s equivalent load are given,and a computing method to determine the optimal control pulse duty cycle for the MPPT control solar energy collecting circuit is presented.The theoretical analysis and experiment results validate that the solar energy collecting circuit has the advantages of high collection efficiency and easy implementation.

solar energy collecting;Boost circuit;MPPT control;optimal duty cycle

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.36

TM464

A

2016-05-08；

2017-01-20

湖南省自然科學(xué)基金資助項目（2015JJ2037）；湖南省重點實驗室資助項目（2015TP1017）

Project Supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province of China（2015JJ2037）;the Key Laboratory Project of Hunan Province of China（2015TP1017）