编200903142009031406 南京航空航天大学金城学院
毕业设计
题目光伏接口单元MPPT控制策略
学生姓名李园园
学号2009031406
系部自动化系
专业电气工程及其自动化
班级20090314
指导教师汤雨副教授
二〇一三年六月
南京航空航天大学金城学院
本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：光伏接口单元MPPT控制策略)是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
作者签名：2013年5月28日
（学号）：2009031406
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光伏接口单元MPPT控制策略
摘要
随着时代的发展，人们对能源的需求越来越多，新能源的开发是解决能源危机问题的根本途径，而太阳能光伏发电正是新能源和可再生能源的重要组成部分。
本文主要研究了用MPPT算法追踪光伏电池最大功率的方法，它有着相当广泛的应用。简单介绍了光伏产业的发展情况以及我国的现状。文章对光伏电池做了详细的介绍，包括对光伏电池的发电原理、工作特性进行了详细的分析。以对光伏系统中最大功率点跟踪为目的，选择自适应干扰法对此进行了深入的研究。本文利用光伏电池的数学模型和等效电路，分析了光伏电池的发电原理。同时又分析了Boost电路的基本形式，对必要的参数进行了适当的选择设计。文章采用Boost基本电路对仿真参数进行了设定。同时又简单讨论了MPPT算法的几种常用方法，包括恒压跟踪法、电导增量法以及扰动观测法。分析了光伏系统的最大功率跟踪算法的最优方法，文章采用自适应控制思想的方法，并且对自适应占空比干扰观察法进行了改进，最终在MATLAB中建立了完善光伏电池的数学仿真模型，经过仿真，得到了与实际光伏电池输出特性基本一致的仿真曲线，为进一步研究最大功率点跟踪做好了铺垫。仿真结果经过分析，验证了算法设计的正确性。
关键词：光伏系统，MPPT算法，MATLAB仿真
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Photovoltaic (pv) interface unit MPPT control
strategy
Abstract
With the development of economics and technology, more and more energy is required. Researching and developing new energy is the radical method to resolve the energy problem, and the solar energy is the important composing of the new energy and the renewable energy.
This paper mainly studies the tracking method of maximum power photovoltaic battery using MPPT algorithm,Simply introduces the development of photovoltaic industry and the present situation of our country. Articles on photovoltaic cells made detailed introduction, including the power generation principle, working characteristics of photovoltaic cells are analyzed in detail. For maximum power point tracking of photovoltaic system, for the purpose of choosing adaptive interference method have carried on this paper, by using the mathematical model of pv cells and the equivalent circuit, analyzes the power generation principle of photovoltaic cells. the thorough research. At the same time the basic form of the Boost circuit is analyzed, the necessary parameters for the appropriate selection design. Article adopts the Boost basic circuit of the simulation parameters are set.simply discusses several commonly used methods of MPPT algorithm, including constant voltage tracking method, the conductance increment method and perturbation method.Finally in the MATLAB established perfect mathematical simulation model of photovoltaic cells, the basic consistent with the actual photovoltaic battery output characteristic curve of simulation, Laid a good groundwork for the further study of maximum power point tracking. The simulation results through the analysis, verify the validity of the algorithm design.
Key words: Photovoltaic (pv) system; The MPPT algorithm; MATLAB simulation
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目录
摘要 (ⅰ)
Abstract (ⅱ)
第一章绪论 (1)
1.1.光伏行业简介 (1)
1.1.1光伏行业背景 (1)
1.1.2光伏电池的发展 (2)
1.1.3我国在光伏发电系统的现状 (3)
1.2论文的主要内容 (4)
第二章光伏电池的特性 (5)
2.1光伏电池的发电原理 (5)
2.2光伏电池的输出特性 (6)
2.3光伏电池的工作特性分析 (8)
第三章光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究 (10)
3.1光伏系统最大跟踪的原理 (10)
3.2 MPPT简单系统模型 (11)
3.3 DC/DC变换电路实现MPPT工作的原理 (11)
3.4 Boost变换器 (12)
3.5 Boost电路的参数设计 (14)
3.5.1电感参数设计 (14)
3.5.2电容参数设计 (15)
3.5.3 开关参数设计 (15)
第四章MPPT算法的特性 (16)
4.1 MPPT算法的原理 (16)
毕业设计（论文）报告纸4.2 MPPT算的跟踪方法 (16)
4.2.1恒压追踪法 (16)
4.2.2 电导增量法 (18)
4.2.3 扰动观测法 (19)
第五章MPPT仿真 (22)
5.1 Boost电路实现光伏阵列MPPT的仿真模型 (22)
5.2自适应占空比干扰观察法改进 (24)
5.3基于自适应控制思想的MPPT方法 (25)
5.4 Boost电路实现MPPT仿真模型的建立 (27)
5.5 仿真结果与分析 (28)
第六章总结 (30)
6.1 工作总结 (30)
6.2 技术展望 (30)
参考文献 (32)
致谢 (34)
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第一章绪论
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳每秒发出的能量就大约相当于1.3亿亿吨标准煤完全燃烧时所释放出的全部热量。一般太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是可再生能源，又是一次能源。地球上的风能、水能、波浪能、海洋温差能和部分潮汐能以及生物质能都是来源于太阳，即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然气等）从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能。目前世界能源危机和环境问题使得开发利用可再生能源以及各种绿色能源来实现可持续发展成为人类必须采取的措施。近几年，随着太阳能电池的普及以及电力电子技术的飞速进步，太阳能光伏发电得到了长足的发展，并已经成为新能源利用的主流之一。目前，光伏发电不断向低成本、高效率和高功率密度等方向发展。
1.1光伏行业简介
1.1.1光伏行业背景
目前，随着世界各国经济的发展，对能源的需求量越来越大，但是由于地球化石资源被大量开采与消耗，使得煤、石油、天然气等自然资源日趋短缺，同时过度的能源消耗也给环境造成了严重污染。因此大力发展太阳能成为了各国发展的当务之急。目前，太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，它主要是采用太阳能电池将光能转换为电能。随着科技的不断进步，光伏发电很有可能是将来最具发展前景的发电技术之一。它是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式，是新型的绿色环保低碳的发电技术。
事实上,对光伏发电技术的研究开始于100多年前。1839年,法国物理学家 A.E.贝克勒尔(Becqurel)意外地发现, 用两片金属浸入溶液构成的伏特电池，光照时会产生额外的伏特电势，他把这种现象称为“光生伏特效应”（photovoltaic effect)。1873年英国科学家Wiloughby Smith 就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1880年Charles Fritts 开发出以硒为基础的太阳电池。后来人们就把能够产生光生伏特效应的器件称为“光伏器件”。半导体P-N结器件在阳光下的光电转换效率最高, 通常称这类光伏器件为“太阳电池”(solar cell)。20世纪30年代尽管太阳电池能量转换效率很低，生产成本高，科学家们仍致力于硒太阳电池的研究。到20世纪50年代初期，美国贝尔实验室在为远程通讯
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系统寻找可靠的电源时，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1954年在贝尔实验室恰宾(Charbin)和皮尔松，第一次做出了光电转换效率为6%的实用单晶硅太阳电池，从此开创了光伏发电的新纪元。1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。
太阳能与化石能源、核能、风能和生物质能发电技术相比，光伏电具有一系列特有的优势：一是发电原理具有先进性，即直接从光子到电子转换，没有中间过程和机械运动，发电形式极为简洁。二是太阳能辐射取之不尽、用之不竭，能够再生并清洁环保。三是没有资源短缺和耗尽的问题。四是没有燃烧过程，不排放温室气体和其他废气废水，能够做到真正的绿色发电。五是不存在机械磨损，没有噪声。六是采用模块化结构易于建造安装、拆卸迁移方便，规模大小随意。七是光伏发电性能稳定、可靠，而且使用寿命长。八是可实现无人值守，维护成本低。虽然太阳能光伏发电目前的成本较高，近期在国内的大规模推广应用还存在着一定的困难，但是，从长期来看，随着技术的进步，以及其他能源利用形式的逐渐饱和，估计到2050年前后，太阳能资源将成为主流的能源利用形式，有着不可估量的发展潜能。欧洲联合研究中心对光伏发电的未来发展作出如下预测：2020年世界太阳能的发电量占世界总能源需求的1%，2050年占到20%，2100年则将超过50%。由此可得出结论：光伏发电是未来世界能源和电力的主要来源，发展潜力巨大。
1.1.2 光伏电池的发展
20世纪70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在70年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”、“阳光计划”“、环境计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定了世界太阳能战略规划以及国际太阳能公约，并且设立国际太阳能基金等，以此来推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源已成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容之一。
我国也紧随世界发展潮流，目前大约有40多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开
毕业设计（论文）报告纸发活动。研究领域涉及太阳电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了很大进展，主要包括1～5kW光伏水泵系统、100～500W控制/逆变成套设备、光伏照明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源,集中式光伏电站以及5kW光伏并网示范系统等。在部件方面，主要有高效率10kW、15kW逆变器及30kW正弦波逆变器等，同时还成功地研制出新型太阳电池及组件特性测试系统等等。
目前太阳能电池主要分为单晶硅电池、多晶硅电池和薄膜电池三种。单晶硅电池技术成熟，光电转换效率高，但其生产成本较高，技术要求高；多晶硅电池成本相对较低，技术成熟，但光电转换效率相对较低；而薄膜电池成本低，发光效率高，但目前其在技术稳定性和规模生产上均存在一定的困难。随着技术的进步，未来薄膜电池会有更好的发展前景。
1.1.3我国在光伏发电系统的现状
我国于1985年开始研究光伏电池，并于1971年成功地首次应用于我国发射的东方红二号卫星上。80年代以后，国家开始对光伏工业和光伏市场的发展给予支持，使得我国光伏发电的研究开发工作取得了不小的成就，在光伏水泵系统、通信光伏电源系统、微波中继站、阴极保护光伏电源系统、家用光伏电源系统、风光互补发电系统等的系统技术方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。在大型光伏电站方面，中科院电工研究所于2004年在深圳世博园成功地实施了1MWp容量的大型光伏并网电站。目前我国的光伏电池产能已位居世界第一位，但约90%的光伏电池出口到国外。我国在光伏系统应用方面起步较晚，在控制领域方面的研究尚处于空白。
目前，中国已形成了完整的太阳能光伏产业链。从产业布局上来看，国内的长三角、环渤海、珠三角及中西部地区业已形成各具特色的区域产业集群，并涌现出了无锡尚德、江西赛维、天威英利等一批知名企业。2009年中国太阳能电池产量为9300MW，占全球总产量的40%以上，已成为全球太阳能电池生产第一大国。
中国的光伏产业有95%的市场都在国外，国内的应用还是十分有限。长期来看，中国再不广泛应用太阳能光伏发电技术，中国经济发展所遇到的能源问题将会越来越严重，能源问题必定成为中国经济发展的巨大障碍。中国是太阳能资源丰富的国家之一。中国有荒漠面积108万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区。1平方公里面积可安装100兆瓦光伏阵列，每年可发电1.5亿度。如果开发利用1%的荒漠，就可以发出相当于中国2003年全年的耗电量。目前，在中国的北方、沿海等很多地区，每年的日照量都在2000小时以上，海南
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更是达到了2400小时以上，是名副其实的太阳能资源大国。可见，中国具备了广泛应用光伏发电技术的地理条件。
太阳能具有可再生和环保等方面的特点，这种优势让包括中国在内的许多国家将太阳能作为重点发展的新能源产业。中国大陆光伏产品主要供应给欧美市场，国内市场份额很小。近年来，由于欧美各国市场需求的增大，我国光伏产业取得了快速的发展，最近5年的年均增长速度达到40%以上。在政策进一步加大扶持力度的背景下，未来光伏产业的增长前景将更为广阔。
1.2论文的主要内容
因为MPPT算法有很多种,并且光伏电池问题是MPPT算法众多解决问题中的经典问题,所以具有很大的随意性。虽然MPPT算法的选择性很多，但是所有的算法都是基于基本的原理，并且基本算法也可以很好的解决光伏电池问题，以及说明参数选择问题。所以本文以基本干扰观测法为基础，通过MATLAB仿真这个平台，重点讨论了算法如何解决光伏电池追踪最大功率的问题。
第一章主要介绍了光伏行业的背景，光伏电池的发展状况，光伏发电系统的简单介绍以及我国近几年来光伏产业的发展状况。
第二章对光伏电池的发电原理，电池的输出特性、以及光伏电池的工作特性做了详细的介绍。
第三章光伏阵列最大功率点跟踪的研究，对最大跟踪原理进行了介绍，对MPPT系统的模型做了简单的介绍，同时对Boost的变换器原理做了详细的介绍，另外对仿真系统的各个参数进行了详细的设计，还设计了算法仿真的流程图。
第四对MPPT算法的原理进行了简单的介绍，同时又介绍了算法的三种常用方法，包括恒压跟踪法、电导增量法和干扰观测法。
第五章主要讨论MATLAB软件的特点，同时对仿真实验的结果做了相应的分析与验证。第六章对光伏产业的发展行了展望，同时对本文进行了总结。
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第二章光伏电池的特性
2.1光伏电池的发电原理
太阳能是必须借助于能量转换器才能转换成为电能，因为它是一种辐射能。这种把光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池是以光生伏效应为基础，可以把光能直接转换成电能的一种半导体器件。光生伏效应是指某种材料在吸收了光能之后产生电动势的效应。气体、液体和固体中均可产生这种效应。尤其固体，特别是半导体中，光能转换成电能的效率相对气体、液体而言较相对高。
图 2.1光伏电池原理示意图
光伏电池原理实际上就是一个P-N结。一般情况下，用于光伏电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的某种特殊物质，半导体的原子和其他任何物质的原子一样，也是由带负电的电子和带正电的原子核组成。半导体硅原子的外层有4个电子，按着固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”。在纯净的晶体硅中，空穴和自由电子的数目是相等的。假如在晶体硅中掺入嫁、硼等元素，由于这些元素能够俘获电子，晶体硅就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，晶体硅就成了电子型半导体，用符号N代表。若把这两种半导体结合，其交界面便形成一个PN结。PN结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的自由移动。如图2.1所示，当光伏电池受到阳光照射时，自由电子接受光能，向N型区移动，使N型区带负电，同时空穴向P型区移动，使P型区带正电。这样，在PN 结两端便产生了电动势。这种现象就是“光伏效应”。如果这时分别在P型层和N型层焊上金属导线，然后接通负载，那么外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们
毕业设计（论文）报告纸并联、串联起来，就能产生一定的电压和电流，并且能够输出功率。制造光伏电池的半导体材料目前已经有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前，硅光伏电池技术不断成熟，具有长久的商业价值。
2.2.光伏电池的输出特性
光伏太阳能电池板的输出特性取决于一些条件，比如光照强度和环境温度。每个输出特性曲线有一个唯一的最大功率点（MPP），其光伏太阳能电池板输出功率是最大的。通过使用最大功率点追踪（MPPT）控制器，来确保光伏太阳能电池板在所有条件下，在最高或接近最高功率水平以下运行。
为了更好的理解光伏电池的特性，光伏电池的非线性函数关系表明其在日照不同、结温相同和日照相同、结温不同情况下的光伏电池I—V、P—V特性曲线，如图2.2、2.3所示。
(1).电池结温不变，日照变化:
图2.2 光照强度不同情况下I—V、P—V特性曲线
图2.2为光伏电池结温不变、日照强度变化情况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论:
①光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系，光伏电池的开路电压在各种日照条件下变化不大；
②光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似线性上升趋势;到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于上升速度；
③如图2.2(a)所示：在虚线A的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧近似为电压源。虚
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线A对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路电流的90%；
④如图2.2(b)所示：结温一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电压值基本不变。该值约为开路电压的76%。
(2)电池结温变化，日照不变
图2.3 光伏器件结温变化情况下I—V、P—V特性曲线
图2.3为光伏电池日照强度不变、结温变化情况下的一组I—V和P—V特性曲线，从图中可以得出以下结论:
①如2.3(a)所示：光伏电池的结温对光伏电池的短路电流影响不大，随着温度的上升输出短路
电流只是略有增加；光伏电池的开路电压随电池结温的上升而下降，且变化范围较大；
②如图2.3(b)所示:光伏电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。
综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的日照强度、环境温度有密切的关系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。
2.3光伏电池的工作特性分析
光伏太阳能电池暴露在阳光中会导致电流的出现，如同电子和其他粒子在势垒区建立的电场中会扫向不同的方向。建立起光伏电池数学模型，能够在光伏发电系统的设计中更好的分析光伏阵列的电性能，也能够更好的使其与光伏控制系统匹配，以此达到最佳的发电效果。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池的等效电路如下图2.4
毕业设计（论文）报告纸所示。
I L
图2.4 光伏电池等效电路图
由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方程：
L
sh
D
D
ph
L
I
R
U
I
I
I-
-
=(2-1)
=
()
?
?
?
?
?
?
-
?
?
?
?
?+
1
0T k A
R
I
U
q
exp
I-
I S
L
oc
ph
其中
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
=
T
-
T
k B
E
q
exp
T
T
I
I
r
G
r
or
1
1
(2-2)
()
[]
1000
298
G
T
K
I
I
t
SC
ph
-
+
=(2-3)
一般讨论实际等效电路时，可忽略
S
R或sh
R.因此，在下面的讨论中将忽略
sh
R，得到光伏电池的简化等效电路图2.5，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式2-4：
()
?
?
?
?
?
?
-
?
?
?
?
?+
=1
0T k A
R
I
U
q
e x p
I-
I
I s
L
OC
ph
L
(2-4)
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I ph +
－
图2.5 光伏电池等效简化电路
在外部负载短路的情况下，即oc U =0时，此时光伏电流ph I 会全部流向外部的短路负载，短路电流sc I 几乎等于光电流，有sc I =ph I ；在处于开路状态时，I =0,光电流会全部流经二极管D ，此时开路电压
???
? ??+=10I I ln q T k A U ph oc (2-5) 从公式2.3可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界如温度、日照强度等因素的影响。即在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流sc I ,并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系，如下：
()298-+=T K U U T ocs oc (2-6)
ocs U 为标准测试条件（光伏电池温度为25℃，日照强度为1000W/2m ，称之为标准测试条件）下的开路电压，T K 为开路电压的温度系数。
在上面的公式中，各参数的选择如下：为光伏电池输出电流，为光伏电池输出电压，为光伏电池反向饱和电流，T 是指光伏电池温度，K 是玻尔兹曼常数，通常取常量，G 是日照强度，是指光生电流，q 电子电量，通常取常量，为二极管反向饱和电流，是参考温度，取301.18K ，是半导体材料禁带宽度，是短路电流温度系数，A,B 是理想因子，通常介于1和2之间，是标准测试条件下短路电流。
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第三章 光伏阵列最大功率点跟踪算法的研究
3.1光伏系统最大跟踪的原理
光伏电池在太阳能光伏发电系统中是最基本的环节，若要提高整个系统的效率，必须要提高光伏电池的转换效率，使其最大限度地输出功率。然而，光伏电池的I-V 特性是非线性的，它随着外界环（温度、光照强度）的变化而变化，它的工作电压改变时它的输出功率也会改变，为了始终能获得最大的输出功率，所以需要进行最大功率点跟踪。
图3.1中的曲线是在一定光照强度下的光伏I-V 输出特性曲线，直线1为一定负载阻抗的负载线，它和曲线的交点为a ，即为光伏电池的工作点。由图可知，对应不同的负载阻抗，负载线的斜率不同，与光伏电池输出特性曲线的交点不同，即工作点不同，光伏电池在工作点上的输出功率也不同。如果不改变负载特性，则系统工作在a 点，但a 点的输出功率11V I P =小于MPP 处的功率m m m pp V I P =。如果我们能改变负载阻抗，则可以使负载线与光伏电池输出特性曲线的交点从a 点移到MPP ，使光伏电池工作在最大功率点处。当光强变化时，光伏电池的输出特性也会变化，则可以相应地调整负载阻抗，使它仍能工作在最大功率点上。在不同的环境条件下，按输出最大功率的要求来进行调整负载阻抗，则能使太阳能得到最大利用，即实现最大功率点跟踪的控制。
I
V 0
I 1
I m V 1V m
图3-1 最大功率点跟踪原理
基于DC/DC 变换器具有阻抗变换的作用，DC/DC 变换器输出端负载一定时，通过调节
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占空比D ，可以改变DC/DC 变换器的输入阻抗，这样就改变了光伏电池的负载阻抗。假如知道最大功率点所对应的负载阻抗，就可以通过调整DC/DC 变换器的占空比D ，使DC/DC 变换器的输入阻抗在光伏电池的最大功率点上。当外界环境变化时，仍然可以通过不断调整变换器的开关占空比D ，实现光伏电池与DC/DC 变换器之间的动态负载匹配，就可以实时获得光伏电池的最大输出功率。
3.2 MPPT 简单系统模型
给出一个简单的MPPT 控制模型，如下图3-2所示，
图3.2 MPPT 控制模型 不断地给阵列i d P UP U U ?-=±输出电压的脉宽以增量(U ?± )。设测得阵列当前的输出功率为d p ， 被存储的前一时刻的记忆功率为i P , 若通过乘法器测得有：d p >i P , 则取U U U ?+=后再测、再比、再修改脉宽；反之, 若测得有:d p
3.3 DC/DC 变换电路实现MPPT 工作的原理
改变加载在光伏阵列两端的负载R 阻值，就可以改变光伏阵列的工作点，达到跟踪最大功率点的目的。最大功率点跟踪就是完成此阻抗匹配的任务。光伏阵列的MPPT 控制一般都是通过DC/DC 变换电路来完成的。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，使Buck 电路无法工作在更高的频率
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下。相比之下，Boost 电路可以始终工作在电流连续的状态下，只要输入电感足够大，则电感上的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，避免了加电容带来的种种弊端。同时，Boost 电路非常简单，且由于功率开关管一端接地，在设计过程中，其驱动电路更加简单方便。
3.4 Boost 变换电路
如图3.2所示，Boost 变换电路是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换电路，它由功率元件、储能电感、二极管以及滤波电容组成。Boost 电路有两种工作方式：电感电流连续方式和电感电流断续方式。电感电流连续(CCM)的条件下，电路工作于图3.3、图3.4所示的两种状态。电感电流连续是指输出滤波电感L 的电流总是大于0，电感电流断续是指开关管关断期间有一段时间L 的电流为0。
L
V 0+
图3.3基本的BOOST 变换电路
V+L
D V 0+
图3.4 功率开关管Q 导通时等效电路
1.在t=0时，开关管Q 导通，电源电压V 全部加到升压电感L 上，电感电流L i 线性增长。 二极管D 截止，负载由滤波电容C 提供。
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V dt
di L L = (3-1) 2.当on T t =时，L i 达到最大值max L i 。在Q 导通期间L i 的增长量L i ?为： s on L DT L
V T L V i ==? （3-2） 由于0V >V ，使得L i 线性减小。在t=on T 时刻，Q 关断，L i 通过二极管D 向输出侧流动，电源功率和电感L 的储能向负载和电容C 转移，给C 充电。此时加在L 上的电压为0V V -。
V+V 0+
图3.5 功率开关管Q 截止时等效电路 0V V dt
di L L -= （3-3） 当s T t =时，Q 又导通，开始另一个开关周期。
由此可见，Boost 变换电路的工作分为两个阶段：一，Q 关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容C 充电；二，Q 导通时为电感L 的储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容C 的能量维持工作。所以，Boost 变换电路的输入电流就是升压电感L 电流的平均值，()min L max L L I I I +=2
1。开关管和二极管轮流工作，Q 截止时，流过D 的电流也是L i ；Q 导通时，流过它的电流就是L i 。通过它们的电流VT i 和D i 相加就是升压电感电流L i 。稳态工作时电容C 充电量等于放电量，通过电容的平均电流为0，故通过二极管D 的电流平均值就是负载电流0I 。并且此时Q 导通期间电感电流的增长量ΔL i 等于它在Q 截止期间的减小量，由以下公式可得输出电压与输入电压的关系：
D
V V -=110 (3-4)
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3.5 Boost 变换器参数设计
要求：
输入电压: 取20V~40V
输出电压：取400V
额定功率：取500W
开关频率：取50kHZ
η取99%
3.5.1 电感参数设计
电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流，电压相位不同，因此理论损耗为零。电感的主要作用是传递能量、储存能量和滤波；另外，输入电流中高频纹波电流的大小也有它的决定。对于Boost 变换器，其升压电感可由下面的式子确定：
D f I U L s
L i ??= (3-5) 由文献可知，一般电感最大峰值输入电流的10%到20%为纹波电流，本文按最大峰值输入电流的20%为纹波电流来计算，因此有
A U P I i O L 53.2200
%99500=?==η (3-6) A U P I i O L 5.0200%995002.02.0=??=?
=?η (3-7) 由
D V V -=110可得 o
i U U D -
=1 (3-8) 所以有 5.0400
20011min max =-=-
=o U U D (3-9) 由(3-5)~(3-9)可得