基于BOOST電路光伏電池的MPPT仿真研究

劉利紅 陳啟正

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024；2.深圳供電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，深圳 518054）

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境如輻照度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且惟一的最大功率點（Maximum Power Point，MPP）上，因此，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)該尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能，即需要采用最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術(shù)[1]。

本文根據(jù)光伏電池最大輸出功率與光照度的關(guān)系，建立了基于Boost電路的MPPT仿真模型，采用擾動觀測法，通過調(diào)整DC-DC電路的占空比實現(xiàn)了最大功率點追蹤。使用Matlab/Simulink工具，在輻照度恒定和階躍變化的情況下，對MPPT進行了仿真分析。

1 光伏電池的特性

光伏電池實際上就是一個大面積平面二極管，其工作可以圖 1的單二極管等效電路來描述[3]。光伏電池的特性方程如式（1）所示。

圖1 光伏電池等效電路

式中，ISC為光子在光伏電池中激發(fā)的電流；ID0為光伏電池在無光照時的飽和電流；q為電子的電荷；K為玻爾茲曼常數(shù)；A為一個常數(shù)因子；RL為光伏電池的外接負(fù)載；RS為串聯(lián)電阻；Rsh為旁漏電阻；UL為負(fù)載電壓；IL為負(fù)載電流（亦即光伏電池的輸出電流）。

本文采用的是不考慮任何內(nèi)阻的光伏電池理想電路模型，此方法能夠體現(xiàn)其物理特性，可用于對復(fù)雜電力系統(tǒng)進行分析研究。

光伏陣列的輸出特性受到光照強度、環(huán)境溫度的影響表現(xiàn)出非線性特性，可以用伏安特性（I-V）和功率電壓（P-V）特性曲線來體現(xiàn)。圖2和圖 3分別描述了相同溫度、不同光照下的 P-V特性曲線和I-V特性曲線。

圖2 相同溫度、不同光照下的P-V特性曲線

圖3 相同溫度、不同光照下的I-V特性仿真曲線

顯然，光照度對光伏電池的輸出功率有很大的影響，在一定光照度下，P-V曲線只有一個最大功率點，呈現(xiàn)出典型的非線性特征，從圖中不難看出，在相同的環(huán)境溫度下，光照強度越高，光伏陣列輸出的最大功率越大；反之，光照強度越低，光伏陣列輸出的最大功率越小。同時也可以看出，當(dāng)光照強度變化時，最大功率點處對應(yīng)的電壓值變化很小，電流值變化較大。

2 PV最大功率點追蹤

2.1 最大功率點追蹤控制方法

擾動觀測法[4]（Perturbation and Observation method，P&O）是現(xiàn)階段實現(xiàn)最大功率點跟蹤常用的自尋優(yōu)類方法之一。它的工作原理為：通過擾動光伏電池的輸出電壓（或電流），依據(jù)公式Ppv=udcipv來計算擾動前后光伏陣列的輸出功率，將擾動前后光伏陣列的輸出功率進行比較：如果擾動后光伏陣列的輸出功率增大，則說明擾動能使光伏陣列的輸出功率增加，下一次可以往相同的方向擾動光伏陣列的輸出電壓（或電流）；反之，如果擾動后光伏陣列的輸出功率減小，則說明擾動使得光伏陣列的輸出功率減小，下一次則往相反的方向擾動光伏陣列的輸出電壓（電流）。本文采用擾動電流的控制方式，控制流程如圖4所示，U、I為上一次光伏電池的電壓、電流檢測值，P為對應(yīng)的輸出功率，U1，I1為當(dāng)前光伏電池的電壓、電流檢測值，P1為對應(yīng)的輸出功率，△I為電流調(diào)整步長。Iref為參考電流。反復(fù)進行輸出電流擾動，使其電流的變化不斷使光伏電池輸出功率朝大的方向改變，直到工作點接近最大功率點。

圖4 擾動觀察法的流程圖

2.2 最大功率點追蹤的仿真建模及仿真分析

1）仿真建模

本文最大功率點追蹤功能的實現(xiàn)在DC/DC級，在Matlab/Simulink中構(gòu)建的帶有MPPT的PV（510 W）仿真模型如圖5所示。光伏電池的仿真模型如圖6所示，Boost DC-DC的仿真模型如圖7所示。將該級作為光伏電池的負(fù)載，通過改變占空比來改變其與光伏電池輸出特性的匹配。實現(xiàn)光伏的 MPPT,其實質(zhì)為匹配電池和后級變換器的動態(tài)負(fù)載，當(dāng)外界環(huán)境變化時，通過不斷調(diào)整DC-DC變換器的開關(guān)占空比，實現(xiàn)光伏電池與變換器之間的動態(tài)負(fù)載匹配，實時獲得光伏電池的最大輸出功率[9]。

圖5 帶有MPPT的PV仿真模型

圖6 光伏電池仿真模型

圖7 Boost DC-DC仿真模型

2）仿真分析

在 Matlab/Simulink里建立基于 BOOST DC-DC電路的最大功率點追蹤控制器，并與PV模型連接，對此控制電路進行仿真模擬，當(dāng)參考條件S=1000 W/M2和TB=25℃時，對最大功率點的追蹤波形如圖 8所示。從仿真結(jié)果看，DC-DC輸入電流 Iref在控制器的作用下不斷增加，大概在 10s時找到最大功率點工作電流，電壓穩(wěn)定在 103.4V，功率達到最大功率點510.8W附近，與圖所示的最大功率點相吻合。

圖8 相同光照下最大功率點追蹤波形

溫度不變時，系統(tǒng)給外界光照連續(xù)的階躍變化，在參考條件 SB=[040085095009508504000]W/M2時, 由圖9可以看出，當(dāng)光照強度由弱變強時，最大輸出功率也隨之升高；當(dāng)光照強度由強減弱時，最大輸出功率也隨之減小，而且可以準(zhǔn)確地追蹤不同光照下的最大功率點。

3 結(jié)論

本文建立了基于Boost DC-DC電路的PV最大功率點追蹤仿真模型，以擾動觀測法為基礎(chǔ)，提出了MPPT控制策略。Matalb/Simulink仿真結(jié)果表明：所建立的光伏電池仿真模型可以準(zhǔn)確反映其P-V和I-V特性曲線。同時，所提出的最大功率點追蹤模型及控制策略也能在不同光照強度下準(zhǔn)確快速地追蹤光伏電池的最大功率點，因此該仿真模型具有很好的動態(tài)特性和實用性。

[1]周林,武劍,栗秋花等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術(shù),2008,34(6)∶1145-1154.

[2]田勤曼.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率跟蹤控制方法的研究[D].天津∶天津大學(xué),2008.

[3]張輝,單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的研究[D].西安∶西安理工大學(xué),2010.

[4]李晶,竇偉,徐正國.光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點跟蹤算法的研究[J].太陽學(xué)報,2007,28(3)∶268-273.

[5]時智勇.三相單級式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)綜合控制與應(yīng)用[D].北京∶北京交通大學(xué),2009.

[6]張曉安.我國太陽能光伏利用的現(xiàn)狀、存在問題及其對策[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(社會科學(xué)版),2009(6)∶18-23.

[7]趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛等.太陽能光伏發(fā)電及其應(yīng)用[M].北京∶科學(xué)出版社,2005.

[8]王斯成.光伏并網(wǎng)與光伏建筑的政策、技術(shù)要點和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[C].光伏并網(wǎng)與光伏建模建筑技術(shù)研討會,2009.

[9]Arab AH,Driss BA,Amimeur R,etc. Photovoltaic systems sizing for Algeria[J].Solar Energy,1995,54(2)∶99-104.

[10]Mehmet A,Isa Q,Adel K. Matching of separately excited DC motors to photovoltaic generator for maximum power output[J]. Solar Energy,1998, 63(6)∶375-385.

[11]T.Noguchi, S.Togashi,R.Nakamoto. Short-Current Pulse-Based Adaptive Maximum–Power–Point Tracking for a Photovoltaic Power Generation System[J].Electrical Engineering in Japan,2002,139(1)∶65-72.

[12]Tsai-Fu W,Chien-Hsuan C,Yu-Hai C.A fuzzy-logiccontrolled single-stage converter for PV-powered lighting system applications[J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on.2000,47(2)∶287-296.