CHBMLI各种MPPT算法的设计与分析

I.Vedasangamithra¹, N.Selvarani²

印度泰米尔纳德邦丁迪古，PSNA工程技术学院电子电气工程系PG学生[PED]
印度泰米尔纳德邦丁迪古市PSNA工程技术学院电子电气工程系副教授

摘要

本文详细分析了两种最著名的最大功率点跟踪(MPPT)算法:多电平级联h桥逆变器中用于光伏系统(PV)的扰动观察(P&O)和增量电导(INC)。该系统给出了基于P&O和INC算法比较的输出电压和效率。脉冲宽度通过改变系统的工作值来改变。本系统采用h桥逆变器输出九电平正弦电压。利用Matlab simulink对该装置进行了分析，并对多电平逆变器输出效率进行了比较。

关键字

光伏电池(PV);Perturb-and-observe (P&O);增量电导;升压变换器;造型;设计;最大功率点跟踪(MPPT);仿真，h桥多电平逆变器(HBMLI)。

介绍

电力需求的快速增长和最近环境条件的变化，如全球变暖，导致对更便宜和可持续的新能源的需求，碳排放更少。在寻求解决这一问题的方法方面，太阳能提供了有希望的结果。利用光伏组件利用太阳能也有其自身的问题，这些问题源于绝缘条件的变化[1-2]。这些绝缘条件的变化严重影响了光伏组件的效率和输出功率。为了提高光伏组件的效率，已经进行了大量的研究。为了解决效率问题，已经提出了许多跟踪光伏组件最大功率点的方法，使用这些方法的产品已经制造出来，现在已经商用给消费者[1]。然后，本研究着眼于不同类型的转换器如何影响模块的输出功率，并调查MPPT是否高效，并在各种条件下跟踪真正的最大功率点[1-3]。

MPPT用于从太阳能光伏组件提取最大功率，并将该功率传输给负载。dc/dc变换器充当负载和模块[5]之间的接口。通过改变占空比，源所看到的负载阻抗发生变化，并在峰值功率点与源匹配，从而传递最大功率[4]。因此，需要MPPT技术来维持光伏阵列在其MPP运行。文献中已经提出了许多MPPT技术;例如扰动和观察(P&O)方法，增量电导(IC)方法等。本文在级联多电平逆变器上实现了最常用的两种MPPT技术——扰动观察法(P&O)和增量电导法(Incremental conductivity method)，并对输出电压进行了比较，并在仿真中完成了该工作。

光伏系统设计

光伏电池是一种利用光伏效应[3]将光能吸收并转化为电能的半导体器件。图2.1为光伏电池的等效电路。

直流/直流转换器

DC/DC转换器用于将最大功率从太阳能光伏电池传输到负载。该转换器提供了负载和PV电池之间的接口。通过改变占空比，改变负载阻抗，在峰值功率点与源匹配，从而传递最大功率。

升压变换器工作原理

Boost变换器拓扑结构如图3.1所示。对于这种转换器，功率流是通过开关晶体管的开/关占空比来控制的。当开关为On时，电流顺时针流过电感器，电感器存储Vi I1能量。当开关关闭时，意味着电流将减小以增加阻抗。电感释放电流通过二极管D到电容器C和负载r，电感的极性将改变。并且电感在On-State期间积累的能量将被释放，(Vc-Vi)I1截止。其中D为占空比。它表示开关处于开状态的换向周期T的百分比。由于输出电压总是高于源电压。

MPPT方法

在P-V曲线上，有一个点是PV电池产生最大功率的，这个点总是位于曲线的膝部，称为最大功率点(MPP)。由于光伏电池的输出功率完全取决于太阳辐射、温度和负载，因此其输出特性是非线性的。在不断变化的外部环境下，光伏系统必须在最大功率点工作，以达到最佳性能。MPPT算法可以从光伏电池中提取最大功率并将其传输给负载。采用多种算法对最大功率点进行跟踪。最常用的是，

i.扰动与观察算法(P&O)

2增量电导算法(Inc Cond)

i.扰动与观察算法(P&O)

为了简单和易于实现，通常使用P&O算法。顾名思义，这种方法通过中断系统，观察对光伏组件输出功率的影响来工作。如果工作电压在给定方向上受到干扰，并且功率增加(dP/dV > 0)，那么很明显，干扰已经将工作点移向MPP。P&O算法将继续在同一方向干扰电压。相反，如果功率下降(dP/dV < 0)，那么扰动已经使工作点远离MPP。该算法将反转后续扰动的方向。该算法总结在流程图(图4.1)和仿真图(图4.2)中。

2增量电导(IncCond)

这种方法是基于这样一个事实，即面板的功率曲线在MPP处的斜率为零，向左为正，向右为负。这种方法是基于这样一个事实，即面板的功率曲线在MPP处的斜率为零，向左为正，向右为负。

自

MPP可以通过将瞬时电导(Gci=I/V)与增量电导进行比较来跟踪，如图流程图(图4.2)和仿真图(图4.4)所示。Vref是PV面板被迫在MPP处工作的参考电压，Vref = VMPP。一旦达到MPP，则维持工作点，除非观测到Δ的变化，表明大气条件发生变化，从而MPP发生变化。算法通过增加或减少Vref来跟踪新的MPP。

h桥级联多电平逆变器

对于产生相同的5级输出的MLI的不同拓扑结构的比较研究在文献中是可用的。本文提出的拓扑结构采用多串太阳能电池产生等阶九电平输出。所提出的逆变器由每相4个h桥组成，如图5.1所示。每个h桥连接到其太阳能串，其值保持在0.25Vdc。通过适当的开关H1、H2、H3、H4，输出电压V0也可以得到负循环的Vdc、0.75Vdc、0.5Vdc、0.25Vdc，仿真部分显示了级联输出。电容电压被感知并馈送到运算放大器比较器。比较器输出给FPGA处理器以调节电容电压。

模拟及结果

在Matlab/ Simulink中实现了电导增量、摄动和观测MPPT算法的流程图。MPPT脉宽调制输出的仿真结果如图6.1所示。在这种脉冲有各种瞬时宽度取决于太阳能输出功率。这个脉冲用来刺激升压转换器的功率MOSFET。升压变换器的输出电压如图6.2所示。它从太阳能串(每串产生20V)获得输入，并根据脉冲的宽度提高电压水平。升压转换器产生50V输出到逆变器。级联h桥多电平逆变器具有四桥网络，根据逆变器开关的开关顺序产生九级阶梯正弦输出电压。

逆变器时间(s) vs电压(v)输出波形

表1

Boost变换器下P&O和INC算法的比较结果

两种MPPT算法的对比分析如下表所示。

结论

因此，本研究对几种MPPT控制算法的最大功率点跟踪效率进行了实验比较。MPPT控制器调整升压转换器的占空比在任何事件的变化，在辐射提供最大功率可能。此外，本文还实现了级联多电平逆变器，并基于两种常用的MPPT算法对多电平逆变器的性能进行了比较。P&O法和INC法对不同大气条件下的最大功率进行了跟踪，但P&O法比INC法更有效地跟踪了最大功率。

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