基于 Multisim 和 LabVIEW 联合仿真的光伏发电系统 Boost电路研究

甘伟良

（武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070）

基于 Multisim 和 LabVIEW 联合仿真的光伏发电系统 Boost电路研究

甘伟良

（武汉理工大学自动化学院，湖北 武汉 430070）

随着社会的快速发展，新能源发电越来越受到重视，在微电网中，对各个模块通常是以功率为指标来进行调度。本文研究了光伏发电系统中的 Boost 电路，介绍了电路的工作原理，利用 Multisim 和 LabVIEW 联合仿真的方式实现了电路的可控恒功率输出。

Boost 电路；Multisim；LabVIEW；联合仿真

在实际光伏发电系统中，为了能够最大限度的利用太阳能，同时降低系统成本，通常都需要实现最大功率点跟踪（MPPT）。实现 MPPT 最常见的方法就是在光伏电池和负载之间加一个 DC/DC 转换电路，当外界条件的变化引起光伏电池电压和电流变化时，通过控制 DC/DC 转换电路达到控制输出功率的目的。本文选择了 Boost电路来进行仿真研究，光伏电池输出电压则是用可控的稳压源来模拟，运用 Multisim 和 LabVIEW 联合仿真技术使得整体仿真可视化效果更好。但由于不是真正的光伏电池曲线，因此仅实现了电路的恒功率输出。

1 Boost电路的基本工作原理

Boost电路是一种将输入电压升高的非隔离直直变换器，通过控制开关管的占空比可以控制升压变换器的输出电压。根据电感电流是否连续，Boost变换器可分为连续工作模式、临界工作模式和不连续工作模式。在小型的光伏发电系统中，电路要求运行在连续工作状态，并且常常会出现负载的正常运作电压比光伏电池电压高的情况，因此一般都会选用升压型 Boost电路来连接电池与负载。

升压型 Boost电路原理如图1 所示。其中作为开关器件Q的是N沟道金属氧化物半导体场效应管MOSFET，输出电压 Uo和输入电压 Ui的比例关系就是通过控制场效应管栅极 PWM（脉宽调制）信号的导通占空比来调节的。

设电感和电容的取值足够大，电路每个工作周期分为Q导通和关断两个阶段。当Q导通时，电感L储存能量，电感电流增大，感应电动势左正右负，二极管D截止，负载工作所需仅由电容C提供；当Q关断时，电感电流不能突变，产生的感应电动势左负右正，迫使二极管导通，此时负载工作能量由电感L和电源共同提供，同时电源还向电容C充电。由电感的伏秒平衡律可得，一个周期T内，电感L两端电压 UL对时间的积分为 0，则有：

图1 Boost电路原理图

由此可以推出下式：

式中，T —— 开关周期；

ton—— 开关管导通时间；

toff—— 开关管关断时间；

α —— 开关管占空比；

Ui、Uo——Boost 电路的输入电压和输出电压。

通过调节α的大小便可以改变输出电压Uo和输入电压 Ui的关系。图1 中，Boost 电路的输入电压即太阳能电池的输出电压，若以理想情况考虑，纯电阻负载的消耗功率即输出功率：

由式（3）和（4）就可以得到输出功率和占空比的关系：

2 联合仿真的实现

实 现 Multisim 和 LabVIEW 的 联 合 仿 真 必 须先创立所需开发环境。先在计算机上安装 LabVIEW 2012 版本，并且选择性安装相应版本的控制与仿真模块，接着安装 Multisim 12.0 版本，在安装过程中选择 安 装 NI LabVIEW-Multisim Co-Simulation 插 件。安装完毕后就完成了前期的软件安装工作。需要注意的是控制与仿真模块和接口插件的安装版本必须和LabVIEW 的版本一样，不然会导致联合仿真失败。

对于Boost电 路 的 联合仿真来说，先 在Multisim 环境下将电路调试好再进行接口的实现以及 LabVIEW 的控制，以免在两个软件里面一直切换寻找问题所在，不利于仿真的实现。先在Multisim 里搭建 Boost 电路，光伏电池输入用恒压源代替，PWM信号也用可调控方波信号源代替。检验电路能否正常工作的指标便是利用示波器检测输出端电压，控制方波信号占空比α，如果在误差允许的范围内输出电压与输入电压满足式（3），则证明该电路能够正常工作。然后将恒压源和方波信号发生器替换成压控电压源，将负载电阻换成压控电阻，并在另一端接上 HB/SC 接口。需要测量电压的地方直接接上 HB/SC 接口，需要测量电流的地方通过电流探针再接上 HB/SC接口，如图2 所示。然后再在 LabVIEW 协同仿真终端里面配置各个接口的类型。

要 想 实 现 LabVIEW 和 Multisim 之 间的数据传递， 接着就必须用到LabVIEW 的 控 制 与仿真模块，在新建的VI文件的程序框图中建立Contronl&Simulation Loop，然后在其中调用之前的Multisim 文件，就可以实现数据的传递。

要从 LabVIEW 输入 Multisim 的信号有光伏电池电压、开关器件导通信号和负载电阻大小；从Multisim 输出到 LabVIEW 的信号有输出电流、输出电压和前端电流。VI文件前面板显示的波形变化有光伏电池电压、输出电压、输出电流、占空比、前端电流和输出功率。研究选取的自变量是输出功率和负载电阻，通过设定输出功率和负载电阻的值，观察前面板一系列的波形变化。VI文件程序框图如图3所示。

图2 联合仿真的 Boost电路图

图3 VI文件程序框图

VI文件的控制程序是根据式（5）所编写，通过设定功率和负载阻值，调节占空比α的大小，改变输出电压的值，使得输出功率与设定功率相同。程序中光伏电压是利用直流量和正弦量叠加的波形来模拟的光伏曲线。图4是实际模拟中的波形结果，其中设定的输出功率为 5W，负载电阻为 100Ω。由于电路响应速度不快，因此将正弦波形的周期调大重点观察前 1/4 周期的变化情况。

光伏电压不断升高，占空比不断下降，控制输出电压不变，进而控制输出功率不变。其前端电流由于开关器件的不断导通关断所以显示为震荡波形。仿真波形表明，在误差允许的范围内，实现了恒功率输出控制。

3 结语

图4 模拟仿真波形图

本文主要实现了运用 Multisim 和LabVIEW 联合仿真的控制 Boost电路恒功率输出，仿真结果也证明了联合仿真的可行性，在实验条件有限制或者实体电路搭建之前可以利用其联合仿真做前期的研究工作。同时也证明了通过控制 Boost电路开关器件的导通信号占空比就能控制整体光伏发电电路的输出功率。

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表1 选择性微生物挑战试验结果

表2 选择性微生物挑战试验菌回收率

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