萬豫,崔豐,潘華君
(1.中國人民解放軍94625部隊,江蘇南京,210000; 2.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司,江蘇鎮(zhèn)江,212000)
大家都知道,太陽能優(yōu)點很多,使其成為新能源開發(fā)的主流,而光伏逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分,其效率的高低、反應(yīng)的快慢、可靠性的好壞將直接影響整個光伏系統(tǒng)的性能和投資[1-2]。為了提高太陽能利用率,光伏發(fā)電的運行普遍采用最大功率點跟蹤控制MPPT。太陽能電池其溫度和總電阻之間有復(fù)雜的關(guān)系,因此其輸出效率會有非線性的關(guān)系,可以用電流-電壓特性曲線來表示。最大功率點追蹤的目的就是在太陽能電池的輸出取様,在任意的環(huán)境條件下都設(shè)法維持最大功率輸出。其最大功率點MPPT是隨著光照和溫度變化而變化的。Boost 電路效率高、體積小,易于實現(xiàn) MPPT 控制功能。Fibonacci-MPPT算法具有搜索范圍大,處理速度較快,不受環(huán)境影響的優(yōu)點[3-4],本文設(shè)計了一款1500w基于boost電路和Fibonacci-MPPT方法的電路裝置。
本系統(tǒng)是以 STM32芯片作為控制核心,使用PB0和PB1分別采樣電流和電壓,通過PE4輸出PWM信號,然后經(jīng)過芯片IR2110處理,得到MOS管的驅(qū)動信號。主電路中太陽能電池板輸出電壓經(jīng)過電阻采樣送到STM32芯片PA1,電流通過ACS712芯片進行采樣,變成電壓信號送到STM32芯片PA2,然后經(jīng)過ARM實現(xiàn)Fibonacci-MPPT運算,得到驅(qū)動信號,送到MOS管的G極,以最大功率點處的占空比工作。如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)圖
一塊太陽能電池為250W,采用6塊串聯(lián)組成1500W的太陽能電源。具體的設(shè)計如下:
采用6塊太陽能電池并聯(lián)使用:6塊太陽能電池最低輸入電壓Vin_min=150V;最高輸入
電壓Vin_max=233.3V;最大功率點電壓Vin_mppt=180.1V;太陽能電池最大輸出
功率Pin_mppt=1500W;Boost的效率η=0.97;Boost最大輸出功率PO=η×Pin_mppt=1455W;輸出電壓VO=400V;輸出電流工作頻
率fs=60kHz;峰值電流Iin_max=8.7A;最大占空比最小占空比
電流紋波設(shè)為40%;
電感電流脈動量?Iboost=0.4×Iin_max=3.5A;電感電流的最大值IL_max=Iin_max+?Iboost/2=10.5A
電路使用60kHz的PWM信號,MOSFET對于這種頻率的PWM信號有使用優(yōu)勢,因此選用MOS管作為Boost電路的開關(guān)管。在電路中MOS管承受的最大電壓為500V,電流為20A,因此選用1個N溝道IRF460 MOS管。IRF460 MOS的主要參數(shù)為:耐壓500V,額定電流21A。BOOST電路中的二極管應(yīng)具有較低的通態(tài)壓降和快速反向恢復(fù)特性,在電路中承受最大600V的電壓和最大30A的電流,因此選用二極管的主要參數(shù)為:耐壓600V,電流為30A。
選MOS管IRF460工作在80°;漏極電流ID=16A;門極電壓設(shè)為VGS=10V;
門極串聯(lián)電阻 Rg=10Ω;Ciss=4300pF ;Crss=250pF ;Coss=1000pF;
導(dǎo)通電阻為Ron=0.25Ω;門閥電壓為VTH=4V;跨導(dǎo)gfs=13S;關(guān)斷下拉電阻ROFF=0.5Ω;
假設(shè)太陽能電池板工作在最大功率點:
紋波假設(shè)為40%;
峰值電流為IO1=8.31×1.2=9.972A;谷值電流為IO2=8.31×0.8=6.648A
MOS管的漏源電壓為VDS=VO=180.6V
VDD=VDS-IDRon=176.6V
門極電壓從0增到開啟門閥值電壓前的時間:
門極電壓從開啟電壓增加到米勒開啟電壓的時間:
開通米勒電壓VGP1=VTH+IO1/gfs=4.767V
VGS處于米勒平臺的時間:
Ploss_ON=0.5fsVDDID(t2+t3)=8.495W
在關(guān)斷時刻:
關(guān)斷米勒電壓 VGP2=VTH+IO2/gfs=4.511V
開關(guān)損耗為Ploss=Ploss_ON+Ploss_OFF+PCOSS=17.764W;MOS管通過電流有效值為ILOAD=8.31A;
導(dǎo)通損耗為PDR=ILOAD2RonD=7.795W;MOS管總損耗Ploss_MOS=Ploss+PDR=25.559W;
二極管損耗為Ploss_D=ILOAD×0.7(1-D)=3.191W
總損耗為Ploss_sum=Ploss_L+Ploss_MOS+Ploss_D=43.692W
Fibonacci數(shù)列定義如下:
C0=0,C1=1,C2=1…Cn=Cn-2+Cn-1n≥2
Fibonacci線性搜索一般應(yīng)用在可變函數(shù)最優(yōu)化技術(shù)上。用此數(shù)列來約束迭代和搜索范圍使得最大點在搜索范圍內(nèi)。搜索轉(zhuǎn)移方向有函數(shù)范圍內(nèi)的兩點值決定的。限制和轉(zhuǎn)移如圖2所示。
圖2 Fibonacci搜索限制和轉(zhuǎn)移
在Fibonacci搜索中,第一次迭代需要選擇兩個點計算,隨后的迭代過程只要計算一個點。當(dāng)滿足|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε(δ和ε是預(yù)先給定的公差)時,搜索過程結(jié)束。
在Fibonacci搜索中,如果f(c0)≥f(d0),那么最大點肯定在區(qū)間[a0,d0]內(nèi),這時a1=a0,b1=d0,然后繼續(xù)在區(qū)間[a1,b1]內(nèi)搜索。如果f(c0)≤f(d0),那么最大點肯定在區(qū)間[c0,b0]內(nèi),這時a1=c0,b1=b0,然后繼續(xù)在區(qū)間[a1,b1]內(nèi)搜索。其中可變量與Fibonacci數(shù)列的關(guān)系見公式
下次迭代區(qū)間:
當(dāng)cn等于0或者|bk-ak|≤δ或者|f(bk)-f(ak)|≤ε滿足時,搜索過程結(jié)束。
當(dāng)Fibonacci搜索算法在光伏陣列MPPT中應(yīng)用時,變量x可以看作是光伏陣列的電壓或者電流,或者是功率變換器的占空比D,函數(shù)f(x)則看作時輸出功率。該方法是重復(fù)限制轉(zhuǎn)移范圍使最大點在搜索范圍內(nèi)。
在此算法中,引入了一個功率校正功能即功率校正值P'(,如公式所示
公式是檢測輻射突變或者部分陰影的。
當(dāng)上式不成立,說明發(fā)生日照突變,則重新初始化并返回到初始條件下,若上式成立,則繼續(xù)搜索。其中r的取值要適中,根據(jù)經(jīng)驗取r=0.2。
初始條件為:
根據(jù)改變x的值來控制占空比,然后比較x1和x2處功率的大小,確定搜索范圍的變化[5]。
測試用6塊太陽能電池板串聯(lián)進行測試,找到了最大功率點,電流為8.2A,電壓為181.2V,其最大功率為1485.4W。通過本文所設(shè)計方案可以很好的實現(xiàn)最大功率點的跟蹤。
對BOOST主電路進行測試,開關(guān)管是IRF460 MOS,開關(guān)頻率是60kHz,電感是600μh,電容是1600μF,采用stm32f103系列芯片控制驅(qū)動及保護,每采樣50次后取平均值,測試環(huán)境天氣變化的時候。介紹了最大功率跟蹤的控制電路和系統(tǒng)框圖,闡明了BOOST電路各元件的參數(shù)確定方法及MOS管的開關(guān)損耗計算。MPPT的設(shè)計以Fibonacci-mppt為依據(jù),介紹了Fibonacci-mppt的原理,特別是在溫度和光照變化時,就重新進行搜索和跟蹤,并對1500W的光伏電池進行了測試,找到了最大功率點,電流為8.2A,電壓為181.2V,其最大功率為1485.4W,此時光照強度為800W/m2。測試數(shù)據(jù)顯示Fibonacci-mppt的準(zhǔn)確性,驗證了方案的合理性和可行性。