Eboost电路光伏电池最大功率点跟踪标准系统.docx

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Eboost电路光伏电池最大功率点跟踪标准系统

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维普资讯

第３８卷第３期　

２００４年６月　

电力电子技术　

Ｐｗｅ　ｌｃｒｎｃ　ｏｒＥｅｔｏｉｓ

Ｖｏ＿８Ｎｏ３ｌ．．　３

Ｊｎ，０４ｕｅ２０　

基于Ｂｏｔｏｓ电路的光伏电池最大功率点跟踪系统　

赵宏，潘俊民　

（海交通大学，海２０３）上上０ｏ０　

摘要：

论述了利用Ｂｏｔ对光伏电池进行最大功率点跟踪（ＰＴｏｓ电路ＭＰ）的原理，分析ＴＢｃ电路和Ｂｏｔｕｋｏｓ电路在　ＭＰ电路中的优缺点，出了一种单片机控制的，ｏｓ电路为核心的ＭＰＴＰＴ提以ＢｏｔＰ系统，对以蓄电池为负载的系统进　并行了的实验研究。

结果表明，该系统在各种辐射强度下均明显增加了输出功率。

　关键词：

换器，ｏｓ变Ｂｏ变换器；ｔ光伏电池；大功率点跟踪系统　最中图分类号：

Ｍ１．Ｔ９４　４文献标识码：

　Ａ文章编号：

００１０（０）３０５－３１０－０Ｘ２４０－０５０　０

Ｐｈｔｖｌｉ　ａｉｕ　ｗｅ　ｉｔＴｒｃｉｇＳｓｅ　ｓｎ　ｏｔＣｏｖｒｅ　ｏｏｏｔｃＭｘｍｍＰｏｒＰｏｎ　ａｋｎ　ｙｔｍｕｉｇＢｏｓ　ｎｅｔｒａ

ｚ０ＨｏｇＰＮＪｎｍｉ　ＨＡ　ｎ，Ａ　ｕ—ｎ（ａｇａＪｏｎ　ｎｖｒｔＳａｇａ２０３，ｈａＳｎｈｉｉｔｇＵｉｓｙｈｎｈｉ０００Ｃｉ）ｈ　ａｏｅｉ，　ｎ　

Ａｂｔａｔｈ　ａｅ　ｔｄｃｓｔｅｐｎｉｌｓｏ　ｈｔｖｈｉｍａｉｍｐｗｒｏｎ　ａｋｎＭＰＴｕｉｇＢｏｔｏ—ｓｒｃ：

ｅｐｐｒｎｒｕｅ　　ｒｃｐｅ　ｆｏｏａｃｘｍｕ　ｏｅ　ｉｔｒｃｉｇ（Ｐ）ｓ　ｏｓｃｎ　Ｔｉｏｈｉｐｏ　ｐｔｎ　

ｖｒｅ　ｎ　ｉｅ　ｒｅ　ｏＥｒｏ　ｅｗｅｎｔｅＢｕｋａｄＢｏｔｃｎｅｔｒｉ　Ｐｅｔｒａｄｇｖｓｂｆｃｍｌｉｎｂｔｅ　ｈ　ｃ　ｎ　ｏｓ　ｏｖｒ　ｎＭＰＴ．Ａ　ｃｏｏｔｏｌｒｂｓｄＭＰＴ　ｙｔｍ　ｉ?

ｓａｅｍｉｒｃｎｒｌ．ａｅ　Ｐｓｓｅｅｗｔ　ｏｓ　ｏｖｒｅ　ｓｐｏｏｅ．Ｅｘｅｍｅｔｒｓａｃ　ｓｐｏｅｄｄｔ　ｈ　ｉｈＢｏｔｃｎｅｒｉｒｐｓｄｔ　ｐｒｎ　ｅｅｒｈｉ　ｒｃｅｅ　ｏｔｅＭＰＰｒｓｓｅｗｉ　ｂｔｙｌａ．ｘｅｍｅｔｒ—ｉ，　ｙｔｍ　ｔｈａｔ—ｏｄＥｐｒｎ　ｅ　ｒｉｓｌ　ｈｗ　ｈｔｏｔｕ　ｏｒｉｃｅｓｓｏｖｏｓ　ｎｅ　ｉｅｅｔｓｌｒｒｄａｉｎ　ｕｔｓｏｔａ　ｕｐｔｗｅ　ｎｒａｅ　ｂｉｕｌｕｄｒｄｆｒｎ　ｏａ　ａｉｔ．ｓｐｙｆｏ

Ｋｅ　ｒｓｃｎｅｅ／ｏｓｃｎｅｅ；ｈｔｖｔｉｍｉｍｐｗｒｏｎｔｃ（Ｐ）ｙｗｏｄ：

ｏｖｒｒｏｔｏｖｒｒｐｏｏｏａｃａｍｕ　ｏｅ　ｉｔｒｋＭＰＴ　ｔＢ　ｔ；ｘｐ　ａ

１引　言　　

光伏发电具有无污染、噪音、之不尽、无取用之　

不竭等优点．来越受到关注，越在未来的供电系统中　将占有重要的地位。

光伏发电存在的问题是光伏电　池的输出特性受外界环境影响大，温度和光照辐射　强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化；　另外，光伏电池转换效率低且价格昂贵，期投入较　初大。

因此，充分利用光伏电池所产生的能量是光伏发　电系统的基本要求。

要解决这一问题可在光伏电池　与负载间加入最大功率点跟踪装置，使光伏电池始　终能够输出最大功率．以便更有效地利用太阳能。

，．　——光伏电池的输出电流和输出电压　

——

标准测试条件下电池的短路电流　暗饱和电流　一光伏电池的表面温度　

—

—

ｋ—玻耳兹曼常数　Ｋ——短路电流的温度系数　—．口—单位电荷　—参考温度　

常数　

Ａ—辐射强度　———　的暗饱和电流　下

Ｅ（一硅的禁带宽度　，——光电流　。

厂Ｌｃ

——

一

电池的并联电阻　——电池的串联电阻　

Ａ．　

由图１，可见．ｂ１ｃ光伏电池的温度主要影响开路　

电压．辐射强度主要影响短路电流。

另外，在一定的　温度和辐射强度下，光伏电池具有唯一的最大功率　输出点。

由于实际使用中不能保证负载总是工作在　最大功率点上．因此需在负载和光伏电池之间加入　ＭＰ装置，ＰＴ以保证光伏电池始终输出最大功率。

２光伏电池的特性　

图ｌ示出光伏电池的等效电路，图ｌ为光伏电　ａｂ池在不同温度、射强度下的，辐，性，１为光伏　　特图ｃ电池在不同温度、辐射强度下的　特性。

光伏电池的输出特性方程　：

为　

ｅ（１）ｘ　＿一　１　

式　，】ｐ

（一）中ｎｅ［　专］［ｘ吾　　

＾＝ｓ＋￣－５ｌ／０　ｃ【ｃＫＴ２）ｌ０ＩＲＡＯ

定稿日期：

０３ｌ—６２０一１２　

（１）　

作者简介：

赵

宏（９２）男，南辉县人，士生，究　１７一，河博研

方向为电力电子技术在太阳能发电系统中的　

应用。

（）ｂ

（）ｃ　

图ｌ光伏电池的等效电路及输出特性　

５　５

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第３８卷第３期　

２００４年６月　

电力电子技术　

Ｐｗｅ　ｅｔｏｉｓｏｒＥｌｃｒｎｃ　

Ｖｏ．８Ｎｏ３１．．　３

Ｊｎ２０　ｕｅ．Ｏ４

３Ｂｃ　ｕｋ变换器与Ｂｏｔ换器用于　ｏｓ变最大功率跟踪的分析　

由于Ｂｃｕｋ电路的输入端工作在断续状态下．　

若不加入储能电容，则光伏电池的工作时断时续．不　

在一个Ｄ的下限值Ｄ在ＤＤ　，＞　的情况下，光伏电池　才能对蓄电池组的充电电流产生影响。

该值可按下　列方法求出。

设输入端电压为光伏电池的开路电压　

，

则由式（可得：

２）　

Ｖ：

／一　　。

　（Ｄｎ１）（　３）

（）４　

能处于最佳工作状态。

加入了储能电容后，ｕｋ电　Ｂｃ路功率开关断开时光伏电池对储能电容充电．使光　伏电池始终处于发电状态．此时调节Ｂｃｕｋ电路占　空比才能有效跟踪最大功率点．因此储能电容对于　利用Ｂｃｕｋ电路实现ＭＰＴ功能是必不可少的　Ｐ然而　

由上式可得：

Ｄ．＝－　／。

￣１ＶＶ　

当Ｄ在Ｄ１０　０％的区间内变化时，ｏｓ电路输　Ｂｏｔ入输出端的电压应满足式（，。

２在　不变的情况下，）改　变Ｄ将改变与Ｂｏｔｏｓ变换器输入端相连的光伏电池两　

端的电压。

由此可得：

　Ｖ＝。

－）ｉＶ（Ｄ　．Ｉ（　５）

在大功率情况下，储能电容始终处于大电流充放电　

状态．对其可靠工作不利，同时由于储能电容通常为　电解电容．Ｂｃ使ｕｋ电路无法工作在更高的频率下．　增大了ＭＰＰＴ装置的体积，使整个系统变得笨重。

　相比之下，ｏｓＢｏｔ变换器可以始终工作在输入电　流连续的状态下，只要输入电感足够大．电感上的　则纹波电流小到接近平滑的直流电流．因此只需加入　容量较小的无感电容甚至不加电容．避免了加电容　

因此，ｏｓＢｏｔ电路的输入端电压　ｉ　可在０Ｖ之间～　　变化。

只要光伏电池具有合适的开路电压．过改变　通Ｂｏｔｏｓ变换器的Ｄ．就能找到与光伏电池最大功率点　对应的　值，此时光伏电池输出功率最大。

　另外，在常规电网下利用Ｂｏｔｏｓ变换器对蓄电池　充电时，占空比过大而输出滤波电容较小．若会产生　脉动很大的充电电流，影响蓄电池的寿命。

但光伏系　统输出的功率有一上限值，因此蓄电池的最大充电　电池也有一上限值，在选择输出滤波电容ｃ，需　ｆ只时保证其在功率开关导通期间能够供给最大功率时的　

带来的种种弊端。

同时，ｏｓ电路非常简单．由于　Ｂｏｔ且功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便。

Ｂｏｔｏｓ电路的不足之处是其输入端电压较低．同样　在功率下．输入电流较大，因而会带来较大的线路损　耗．Ｂｏｔ但ｏｓ电路具有独特的优点．仍然是一种吸引　人的方案　。

负载电流即可。

电容容量可参照下式选择：

ｃ≥ｆ　

式中Ｇ—滤波电容容量　　—Ｌ　一可能出现的气象条件下最大蓄电池充电电流　，卜开关频率　

４用于ＭＰＴ的Ｂｏｔ　Ｐｏｓ电路原理　

图２ｏｓ为Ｂｏｔ变换器的基本电路。

假设电路中所　有元件均为理想元件．电路的输入到输出的过程无　功率损耗　

蓄　；电　

＋

（）６　

△一开关导通期间ｃ　ｒ上的电压降　

５ＭＰＴ置的设计　　Ｐ装

５１系统结构　．

；池　组　

一

图２Ｂｏｔ换器电路　　ｏｓ变

图３出ＭＰ装置的系统框图．光伏电池组通　示ＰＴ过Ｂｏｔｏｓ电路对蓄电池组充电。

当功率开关Ｓ导通时．输入电压对电感　充电．　

中电流上升；关断后，当Ｓ电感　开始放电，电感两端　

电压与输入电源的电压叠加．使输出端产生高于输　入端的电压。

Ｂｏｔｏｓ电路输入输出的电压关系为：

Ｖ：

－

（一）。

　ｎ１Ｄ　／（）２　在所描述的ＭＰＴＰ系统中．由于Ｂｏｔｏｓ变换器的　

负载为蓄电池组，输出电压　的值将被箝位于蓄电　。

池组两端的电压。

由于输入端电压最高为光伏电池　的开路电压　，Ｖ＜。

如果Ｄ值过小，而　　，由式（）２可　知．ｏｓ电路在输出端产生的电压将会小于蓄电池　Ｂｏｔ池组两端的电压．从而无法对蓄电池组充电．因此存　

图３ＭＰ系统框图　ＰＴ　

系统通过ＭＰ控制器寻找出光伏电池最大功　ＰＴ率点，出控制信号，给通过ＰＷＭ驱动电路调节Ｂｏｔｏｓ　变换器的Ｄ．改变Ｂｏ变换器的　　使其与光伏电池　ｏｓｔｉ，

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池最大功率点跟踪系统　

组最大功率点所对应的电压相匹配，从而使光伏电　池组始终输出最大功率．充分利用太阳能　系统中　ＭＰＴＰ控制器由８Ｃ１片机系统实现．／０５单ＤＡ与ＡＤ／转　换均为８。

ＷＭ驱动电路以Ｓ３２芯片为主构成。

位ＰＧ５４　

５２最大功率跟踪系统的实现　．

铅酸蓄电池串联。

实验时，测蓄电池端电压为　实

１５，直接接ＭＰＴ　　１ＶＰ的光伏电池组开路电压为５　，３　Ｖ接蓄电池的光伏电池组开路电压为１６。

实验结果　５Ｖ见表１由表１。

数据－￣，．Ｈ接入ＭＰ装置后，ｆ　光伏电池　的输出功率有了明显提高。

系统中最大功率跟踪的过程实际上是一个光伏　电池功率自寻优的过程。

对于以蓄电池作为负载的　情况，由于其充电过程中蓄电池两端的电压变化与　温度和辐射强度引起的，ｎ变化过程相比是一个渐变　过程，以只需测量蓄电池组的，化，所ｎ变使其始终保　持在当前时刻下的最大值，即可确定光伏电池组工　

图５对比实验方案　　

表１对比实验结果　光伏电池　光照辐　无　有　输出功　温度　射强度　ＭＰｒ的　ＭＰｒ的　率提高　ＰｒＰｒ充电电流　充电电流　百分比　（）℃　｜　（）Ａ　（）Ａ　（　％）

４．　２０３００　０５　．８０６　．８ｌ．０７２　

作在最大功率点。

系统中蓄电池组的，ｎ经采样后，进　

行ＡＤ／转换，在ＭＰＴＰ控制器中将当前时刻的采样电　流厶　与上一时刻的采样电流／ｋ１比较，定功　ｆ）ｏ一）（相确率变化的方向．再结合上一时刻Ｄ的变化，直接确定　当前时刻Ｄ应增大还是减小。

５３软件设计　－

４．　２０

４．　２０

４９０　

４５７　

０．０６　

０７　．０

０７　．５

０８　．５

２．ｏ５０　

２１０．　４

图４出系统软件程序流程图。

示　

４．　２０

４．　２０

５　２ｌ

５　６ｌ

０８　．０

０．０９　

１０　．０

１１　．０

２．０５０　

２．０２２　

４．　２０

４．　２０

６　５ｌ

７２６　

１０．　０

１１　．５

ｌ２　－５

１４　．０

２．０５０　

２１０．　７

７结　论　　

提出了一种用单片机控制的．ｏｓ以Ｂｏｔ变换器为　核心，以蓄电池为负载的ＭＰＴ统，细分析了以Ｐ系详　

蓄电池为负载的情况下利用Ｂｏｔ换器进行最大　ｏｓ变

图４ＭＰＴ　Ｐ算法流程图　

功率跟踪的原理，并对该系统进行了实验研究。

实验　结果表明，该系统在各种辐射强度下都明显增加了　输出功率，实际应用中具有良好的应用前景。

在如何　减ｄＭＰＴｘＰ系统的体积，提高ＭＰ系统的效率将是　ＰＴ今后深入研究的方向　

参考文献　［】Ｋｕｏｌ　，ａｉｋ　，ｏｌｒ　　．ｅｅｐｅｔｆ１ｏｔｕｉＥＫｌｔｉＫＶｕｇｉＮＣＤｖｌｍｎｏｒｓａｚｓａｓｏ　　

ａ　Ｍｉｒｃｎｒｌｒｂｓｄｃｏｏｔｌ—ａｅ，ｏｅＰｏｏｏａｃＭａｉｍ　Ｐｗｅ　ｈｔｖｈｉ　ｘｍｕｏｒ

图中　

）　卜一当前时刻蓄电池组的　Ｂｏｔ器的　，Ｄ和ｏｓ变换

占空ＬＤＥ　

一

１，　一卜＿上一时刻的／Ｉ　）Ｄ１ｏＤ￣

６实验方案和结果　

为了验证ＭＰ系统的有效性，设计了一台ＰＴ　ＭＰＴ置．Ｐ装并与无此装置下光伏电池的发电状态进　行了比较。

的实验方案采用了两组完全一样的光　图５伏电池组。

一组将光伏电池组件每３串联后再将串块　联的电池相互并联．组成开路电压约为６Ｖ０的光伏　电池组．ＭＰ装置对蓄电池充电：

经ＰＴ另一组将９同　块样的光伏电池组件串联构成开路电压约为１０的　８Ｖ光伏电池组直接对蓄电池组充电，然后对比两组光　伏电池对蓄电池组充电的值。

　　系统中组件在标准测试条件下的额定峰值功率　为３　开路电压为２．ｖ蓄电池组为９１Ｖ２Ａ　６１　’５只２／５ｈ

ＰｉｔｒｋｇＣｎｏＳｓｍ【．Ｅ　ｒｎ．　ｏｅｏ　ａｉ　ｏｔｌｙｔｎＴｃｎｒ　ｅＪＩＥＴａｓｎＰｗｒ］Ｅｏ　Ｅｅｔｎｓ０１６１４－５ｌｒｉ，０，（：

４．ｃｏｃ２１）６　【Ｇａｎｒ．ｄａｔｅｏＢｏｔＳｕｋＴｐｌｙｆ　ａｉ２］ｌｅＩＡｖｎｇ　ｆｏｓＶＢｃ　ｏｏｇ　ｒｘ　ｓ　ａ　　　ｏｏＭ—ｍｍＰｗｒＰｉ　ｒｃｅ　ｎＰｏｖｌｉＳｓｍ【］ｕ　ｏｅｏｔＴａｋｒｉｈｔｏａ　ｙｔｓＡ．　ｎ　ｏｔｃｅ　

ＮｉｅｅｎｈＣｏｖｎｉｎｏ　ｌｃｒｃｌａｄＥｌｃｒｎｃ　ｎｉ　ｎｔｅｔ　ｎｅｔ　ｆＥｅｔａ　ｏｉｎ　ｅｔｉｓＥｇ—ｏ

ｎｅ［］９６３５３８ｅｒＣ．９：

－５．ｓ１３　

【】ＴｅＫＫ．　ｏｅ３ｓ　　ＡＮｖｌｘｍｍ　ＰｗｒＰｉｔｒｃｉｇＴｃ—　Ｍａｉｕｏｅ　ｏ　ａｋｎ　ｅｈ　ｎＴ

ｎｕ　ｒＶＰｎｌＡ．ＥＣ２ｏ［］０１：

７－９５ｉｅｏＰ　ａｅ【】Ｓ’ｏ１．０，１０１７．ｑｆ　ｓＰｃ２４９　

５７　

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Ｐｗｅ　ｌｃｒｎｃ　ｏｒＥｅｔｏｉｓ

Ｖｏ＿８Ｎｏ３ｌ．．　３

Ｊｎ，０４ｕｅ２０　

基于Ｂｏｔｏｓ电路的光伏电池最大功率点跟踪系统　

赵宏，潘俊民　

（海交通大学，海２０３）上上０ｏ０　

摘要：

论述了利用Ｂｏｔ对光伏电池进行最大功率点跟踪（ＰＴｏｓ电路ＭＰ）的原理，分析ＴＢｃ电路和Ｂｏｔｕｋｏｓ电路在　ＭＰ电路中的优缺点，出了一种单片机控制的，ｏｓ电路为核心的ＭＰＴＰＴ提以ＢｏｔＰ系统，对以蓄电池为负载的系统进　并行了的实验研究。

结果表明，该系统在各种辐射强度下均明显增加了输出功率。

　关键词：

换器，ｏｓ变Ｂｏ变换器；ｔ光伏电池；大功率点跟踪系统　最中图分类号：

Ｍ１．Ｔ９４　４文献标识码：

　Ａ文章编号：

００１０（０）３０５－３１０－０Ｘ２４０－０５０　０

Ｐｈｔｖｌｉ　ａｉｕ　ｗｅ　ｉｔＴｒｃｉｇＳｓｅ　ｓｎ　ｏｔＣｏｖｒｅ　ｏｏｏｔｃＭｘｍｍＰｏｒＰｏｎ　ａｋｎ　ｙｔｍｕｉｇＢｏｓ　ｎｅｔｒａ

ｚ０ＨｏｇＰＮＪｎｍｉ　ＨＡ　ｎ，Ａ　ｕ—ｎ（ａｇａＪｏｎ　ｎｖｒｔＳａｇａ２０３，ｈａＳｎｈｉｉｔｇＵｉｓｙｈｎｈｉ０００Ｃｉ）ｈ　ａｏｅｉ，　ｎ　

Ａｂｔａｔｈ　ａｅ　ｔｄｃｓｔｅｐｎｉｌｓｏ　ｈｔｖｈｉｍａｉｍｐｗｒｏｎ　ａｋｎＭＰＴｕｉｇＢｏｔｏ—ｓｒｃ：

ｅｐｐｒｎｒｕｅ　　ｒｃｐｅ　ｆｏｏａｃｘｍｕ　ｏｅ　ｉｔｒｃｉｇ（Ｐ）ｓ　ｏｓｃｎ　Ｔｉｏｈｉｐｏ　ｐｔｎ　

ｖｒｅ　ｎ　ｉｅ　ｒｅ　ｏＥｒｏ　ｅｗｅｎｔｅＢｕｋａｄＢｏｔｃｎｅｔｒｉ　Ｐｅｔｒａｄｇｖｓｂｆｃｍｌｉｎｂｔｅ　ｈ　ｃ　ｎ　ｏｓ　ｏｖｒ　ｎＭＰＴ．Ａ　ｃｏｏｔｏｌｒｂｓｄＭＰＴ　ｙｔｍ　ｉ?

ｓａｅｍｉｒｃｎｒｌ．ａｅ　Ｐｓｓｅｅｗｔ　ｏｓ　ｏｖｒｅ　ｓｐｏｏｅ．Ｅｘｅｍｅｔｒｓａｃ　ｓｐｏｅｄｄｔ　ｈ　ｉｈＢｏｔｃｎｅｒｉｒｐｓｄｔ　ｐｒｎ　ｅｅｒｈｉ　ｒｃｅｅ　ｏｔｅＭＰＰｒｓｓｅｗｉ　ｂｔｙｌａ．ｘ