一种综合实现MPPT与软开关的方法

一种综合实现MPPT与软开关的方法

李震徐志程张文涛

（华北水利水电大学河南郑州450000）

摘要：光伏系统的Boost电路中开关管采用PWM波控制，属于硬开关，随着开关频率的提高，会造成开关管的开关损耗大、系统效率低、损坏设备等问题。本文提出了采用扰动观察法综合实现最大功率点跟踪与软开关的控制方法，通过在Boost电路中增加一个谐振网络，在保证光伏系统维持最大功率输出过程中，开关管通过谐振网络实现ZVS功能。该方法能够提高开关频率，并减少开关管损耗和应力，缩小电子元器件体积。MATLAB/Simulink仿真实验验证了该方法的有效性。

关键词：光伏发电；Boost电路；MPPT；软开关；扰动观察法

0引言

光伏发电作为绿色新能源的一个重要组成部分受到了人们的高度关注[1]。光伏系统往往通过控制Boost电路中开关管的占空比实现MPPT，开关管工作在硬开关状态，忽略了开关器件的损耗，往往得不偿失。同时限制了开关频率，不能利于系统的小型化[2]。

近年来，出现了利用谐振网络和辅助有源开关等方法综合实现MPPT和软开关功能的技术[3]。文献[4]利用全桥DC-DC变换器实现ZVS功能，但需要较多的电子元件并且控制方式复杂。文献[5]采用LLC谐振变换器提高了开关频率，并在高频条件下实现软开关功能。

本文通过在传统的Boost电路中加入了谐振电路，并采用扰动观察法控制开关频率及开关管的关断时间，既能实现最大功率点跟踪，又能实现软开关功能。降低开关损耗，从整体上提高系统效率，并且工作稳定可靠。

1改进型Boost电路功能原理

1.1改进型Boost电路结构

改进型Boost电路如图1所示：滤波电容（C1）接在Boost电路输入端，L1为储能电感，一个带有反并联二极管（D1）的MOSFET开关管（V）与谐振电容（C2）并联，谐振电感（L2）与整流二极管（D2）串联，C3为储能电容接在输出端。

图1改进型Boost电路

1.2软开关实现条件

由于电感L2，电容C2之间的谐振不消耗能量，因此改进型Boost电路可以同传统的Boost电路一样通过控制开关管的占空比来调整其等效阻抗。由于占空比D=1-fstoff，因此需要控制开关频率fs和开关管关断时间toff两个量。

理论波形显示，电压v具有直流分量和交流分量。为满足ZVS条件，可通过调节关断时间toff使开关管在t2之后开通。根据电路推导得关断时间的计算公式如下：

（4）

另外，Ii和Uo由开关管的占空比及光伏电池的工作环境决定，因此toff的值需要经测量和计算才能确定。

2控制方法

本文通过扰动观察法调整开关管的频率fs，并计算关断时间toff，进而改变Boost电路的占空比，使光伏电池保持最大功率输出。算法流程如图3所示。

3仿真分析

为检验模型效果，用Simulink给出了仿真实验。为简化实验，假设负载不变，仅改变光照强度和温度。定义起始开关频率为fs0=50KHZ，仿真电路的基本参数如表1：

图3控制算法流程图

表1电路参数

图4(a)为光照强度在1000W/m2时的波形，图4(b)为光照强度在500W/m2时的波形，图4(a)、图4(b)均为采用扰动观察法得到的稳定波形。此时开关管在电压降为零后启动，能够实现ZVS功能。

为了检验MPPT算法的效果，图5给出了采用扰动观察法时该光伏系统的输出功率波形。环境温度为25C，在0.5s时光照强度由1000W/m2突变为500W/m2。可以发现采用扰动观察法能够实现最大功率点跟踪。

(b)500W/m2

图4在不同光照强度下软开关仿真结果

4结论

本文提出一种带有谐振电路的改进Boost电路，能够在满足光伏电池的输出功率最大的同时，实现开关管ZVS功能。在保证光伏电池效率的基础上，减小了开关损耗和开关应力。并能提高开关频率，从而减小了电路元件的体积。通过仿真实验验证了该方法的有效性。

图5采用扰动观察法的功率波形

参考文献

[1]马溪原,郭晓斌,周长城,等.电网公司投资分布式光伏发电系统的典型运营模式分析[J].南方电网技术,2018,12(03):52-59.

[2]SELIMOncu,SALIHNacar.SoftswitchingmaximumpowerpointtrackerwithresonantswitchinPVsystem[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2016,41(29):12477-12484

[3]AmbikapathyA,SinghG,ShrivastavaA.Efficientsoft-switchingdc-dccon-verterforMPPTofagridconnectedPVsystem[C]//InternationalConferenceonComputing,CommunicationandAutomation.India:IEEE,2017:934-938.

[4]AndresB,BachLC,MartinsMLDS,etal.14thModellingofaZVSfull-bridgeDC-DCconverterforphotovoltaicapplications[C]//BrazilianPowerElectronicsConference.Brazil:IEEE2017:1-6.

[5]RagabAS,SaadNH,El-SattarAA.LLCresonantDC-DCconverterforgrid-connectedPVsystem[C]//InternationalConferenceonComputerEngi-neeringandSystems.Egypt:IEEE,2017:279-285.