基于扰动观察法的光伏充电建模及仿真

刘志孟

摘 要：为了提高使用太阳能给蓄电池充电的效率，对光伏太阳能组件进行了一个系统的建模，并搭建主电路，使用扰动观察法追踪组件的最大功率，使其尽可能以最大功率对蓄电池进行充电。在MATLAB/SIMULINK环境下，使用其数学模型进行了从光伏组件的建模到蓄电池充电的主电路，并仿真实验结果进行论证。

关键词：buck变换器；扰动观察法；最大功率跟踪

0 引言

光伏电池的转换效率受材料和工艺限制，为了进一步提高光伏电池的利用率提出了最大功率跟踪问题[1]。本文对光伏太阳能从建模到充电的主电路进行了仿真分析，采用扰动观察法追踪最大功率点。

1 光伏太阳能组件建模

太阳能电池传统模型：

如图1所示，根据基尔霍夫电流定律进行电路分析：

其中：I0为二极管饱和电流，VOUT光伏太阳能电池板的输出电压，u为光伏电池的开路电压.综上可以写出负载电流I的计算公式为：

q为电荷量1.6×10-19C；K为波尔兹曼系数1.38×10-23J/K；A为二极管质量因数，它的值在1～2之间。由于此方程变量过多，在仿真时影响精度，所以我们在其基础上进行条件约束，根据参考文献[2]设定太阳光辐射强度为1000W/m2，相对湿度为1.5，环境温度为25℃，1.5），光伏电池短路电流ISC、开路电压UOC、峰值电流Im。、峰值电压Um，则当光伏阵列电压为VOUT时，其对应点电流I为

选取布雷科曼的100W太阳能电池板组件型号为CHN100-36W作为搭建的基础，参数：最大功率：100W，最佳工作电压：19.3V

最佳工作電流：5.18A，开路电压：22.90V，短路电流：5.56A，开路电压的温度系数：-0.29%/℃，短路电流的温度系数：0.0005%/℃

仿真结果

2 扰动观察法

2.1 理论分析

在光伏发电领域中扰动观察法因其操作方便被广泛利用，扰动观察法根据光伏器件在最大功率点处?P/?U=0 的特性进行最大功率点跟踪控制，具体工作过程：在系统稳定工作情况下，假设增大最大功率点跟踪电路功率器件的占空比，控制器对占空比调节前后的光伏器件输出功率、输出电压进行采样计算，如果输出功率与输出电压为?P/?U >0，则表明系统工作在最大功率点左侧，应继续增加占空比，直到?P/?U =0即为最大功率点[3]。

但是在计算的过程中，有可能出现一种?U趋于无穷小的情况，根据数学模型，计算速度会大大降低，同时影响到了仿真的时间和精确度，故我们在本仿真中采用?P*?U的方法，及做到了不影响实验精度，又大大提高了仿真效率。

2.2 仿真分析

经仿真分析，功率可以迅速跟踪到最大值100W，当外界影响时，可以有效避免干扰。

3 主电路拓扑结构

主电路采用buck结构，原理说明：

（1）本文仿真采用的是功率100W、最佳工作电压为19.3V的光伏电池板，蓄电池采用的是额定充电电压为12V，故采用buck电路进行降压。

（2）扰动观察法进行最后计算的是dP、dU，而在仿真的过程中发现，功率和电流都在随着电压变化，故把电压当做控制量是最直接有效的方法，而buck电路的电压平均值为

ton为MOSFET处于导通时间；toff为MOSFET处于断开状态；T为导通、断开周期，α为占空比，综合上式发现我们只要改变占空比就完全可以试验控制电压的目的。

在本次的关于建模和仿真的结果，非常有助于研究日常太阳能充电的效率，而且在整个系统中从光伏组件的搭建，以及追踪最大功率的方法到最后的主电路设计，都给出了详细的步骤，方便了以后的研究。

参考文献

[1]林泉，朱净松.光伏阵列MPPT集中控制与分散控制比较研究[J].电源技术，2016，（40）：382-383.

[2]邓栋，易灵芝，李明，等.基于S-函数光伏阵列最大功率追踪的控制策略[J].湖南工业大学学报，2009，23（5）：52-54.

[3]张超，何湘宁.短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用[J].中国电机工程学报，2006，（26）：98-102.

（作者单位：北方工业大学）