基于BOOST电路光伏电池的MPPT仿真研究

刘利红 陈启正

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，太原 030024；2.深圳供电规划设计院有限公司，深圳 518054）

在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且惟一的最大功率点（Maximum Power Point，MPP）上，因此，对于光伏发电系统来说，应该寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能，即需要采用最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术[1]。

本文根据光伏电池最大输出功率与光照度的关系，建立了基于Boost电路的MPPT仿真模型，采用扰动观测法，通过调整DC-DC电路的占空比实现了最大功率点追踪。使用Matlab/Simulink工具，在辐照度恒定和阶跃变化的情况下，对MPPT进行了仿真分析。

1 光伏电池的特性

光伏电池实际上就是一个大面积平面二极管，其工作可以图 1的单二极管等效电路来描述[3]。光伏电池的特性方程如式（1）所示。

图1 光伏电池等效电路

式中，ISC为光子在光伏电池中激发的电流；ID0为光伏电池在无光照时的饱和电流；q为电子的电荷；K为玻尔兹曼常数；A为一个常数因子；RL为光伏电池的外接负载；RS为串联电阻；Rsh为旁漏电阻；UL为负载电压；IL为负载电流（亦即光伏电池的输出电流）。

本文采用的是不考虑任何内阻的光伏电池理想电路模型，此方法能够体现其物理特性，可用于对复杂电力系统进行分析研究。

光伏阵列的输出特性受到光照强度、环境温度的影响表现出非线性特性，可以用伏安特性（I-V）和功率电压（P-V）特性曲线来体现。图2和图 3分别描述了相同温度、不同光照下的 P-V特性曲线和I-V特性曲线。

图2 相同温度、不同光照下的P-V特性曲线

图3 相同温度、不同光照下的I-V特性仿真曲线

显然，光照度对光伏电池的输出功率有很大的影响，在一定光照度下，P-V曲线只有一个最大功率点，呈现出典型的非线性特征，从图中不难看出，在相同的环境温度下，光照强度越高，光伏阵列输出的最大功率越大；反之，光照强度越低，光伏阵列输出的最大功率越小。同时也可以看出，当光照强度变化时，最大功率点处对应的电压值变化很小，电流值变化较大。

2 PV最大功率点追踪

2.1 最大功率点追踪控制方法

扰动观测法[4]（Perturbation and Observation method，P&O）是现阶段实现最大功率点跟踪常用的自寻优类方法之一。它的工作原理为：通过扰动光伏电池的输出电压（或电流），依据公式Ppv=udcipv来计算扰动前后光伏阵列的输出功率，将扰动前后光伏阵列的输出功率进行比较：如果扰动后光伏阵列的输出功率增大，则说明扰动能使光伏阵列的输出功率增加，下一次可以往相同的方向扰动光伏阵列的输出电压（或电流）；反之，如果扰动后光伏阵列的输出功率减小，则说明扰动使得光伏阵列的输出功率减小，下一次则往相反的方向扰动光伏阵列的输出电压（电流）。本文采用扰动电流的控制方式，控制流程如图4所示，U、I为上一次光伏电池的电压、电流检测值，P为对应的输出功率，U1，I1为当前光伏电池的电压、电流检测值，P1为对应的输出功率，△I为电流调整步长。Iref为参考电流。反复进行输出电流扰动，使其电流的变化不断使光伏电池输出功率朝大的方向改变，直到工作点接近最大功率点。

图4 扰动观察法的流程图

2.2 最大功率点追踪的仿真建模及仿真分析

1）仿真建模

本文最大功率点追踪功能的实现在DC/DC级，在Matlab/Simulink中构建的带有MPPT的PV（510 W）仿真模型如图5所示。光伏电池的仿真模型如图6所示，Boost DC-DC的仿真模型如图7所示。将该级作为光伏电池的负载，通过改变占空比来改变其与光伏电池输出特性的匹配。实现光伏的 MPPT,其实质为匹配电池和后级变换器的动态负载，当外界环境变化时，通过不断调整DC-DC变换器的开关占空比，实现光伏电池与变换器之间的动态负载匹配，实时获得光伏电池的最大输出功率[9]。

图5 带有MPPT的PV仿真模型

图6 光伏电池仿真模型

图7 Boost DC-DC仿真模型

2）仿真分析

在 Matlab/Simulink里建立基于 BOOST DC-DC电路的最大功率点追踪控制器，并与PV模型连接，对此控制电路进行仿真模拟，当参考条件S=1000 W/M2和TB=25℃时，对最大功率点的追踪波形如图 8所示。从仿真结果看，DC-DC输入电流 Iref在控制器的作用下不断增加，大概在 10s时找到最大功率点工作电流，电压稳定在 103.4V，功率达到最大功率点510.8W附近，与图所示的最大功率点相吻合。

图8 相同光照下最大功率点追踪波形

温度不变时，系统给外界光照连续的阶跃变化，在参考条件 SB=[040085095009508504000]W/M2时, 由图9可以看出，当光照强度由弱变强时，最大输出功率也随之升高；当光照强度由强减弱时，最大输出功率也随之减小，而且可以准确地追踪不同光照下的最大功率点。

3 结论

本文建立了基于Boost DC-DC电路的PV最大功率点追踪仿真模型，以扰动观测法为基础，提出了MPPT控制策略。Matalb/Simulink仿真结果表明：所建立的光伏电池仿真模型可以准确反映其P-V和I-V特性曲线。同时，所提出的最大功率点追踪模型及控制策略也能在不同光照强度下准确快速地追踪光伏电池的最大功率点，因此该仿真模型具有很好的动态特性和实用性。

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