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(dòng)力工程學(xué)院，太原 030024；2.深圳供電規(guī)劃設(shè)計(jì)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(yùn)行在不同且惟一的最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）上，因此，對(duì)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(diǎn)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(dòng)觀測(cè)法，通過調(diào)整DC-DC電路的占空比實(shí)現(xiàn)了最大功率點(diǎn)追蹤。使用Matlab/Simulink工具，在輻照度恒定和階躍變化的情況下，對(duì)MPPT進(jìn)行了仿真分析。

1 光伏電池的特性

光伏電池實(shí)際上就是一個(gè)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(shí)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(gè)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(duì)復(fù)雜電力系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

光伏陣列的輸出特性受到光照強(qiáng)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(duì)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(gè)最大功率點(diǎn)，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(qiáng)度越高，光伏陣列輸出的最大功率越大；反之，光照強(qiáng)度越低，光伏陣列輸出的最大功率越小。同時(shí)也可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，最大功率點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的電壓值變化很小，電流值變化較大。

2 PV最大功率點(diǎn)追蹤

2.1 最大功率點(diǎn)追蹤控制方法

擾動(dòng)觀測(cè)法[4]（Perturbation and Observation method，P&O）是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)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(dòng)光伏電池的輸出電壓（或電流），依據(jù)公式Ppv=udcipv來計(jì)算擾動(dòng)前后光伏陣列的輸出功率，將擾動(dòng)前后光伏陣列的輸出功率進(jìn)行比較：如果擾動(dòng)后光伏陣列的輸出功率增大，則說明擾動(dòng)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(dòng)光伏陣列的輸出電壓（或電流）；反之，如果擾動(dòng)后光伏陣列的輸出功率減小，則說明擾動(dòng)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(dòng)光伏陣列的輸出電壓（電流）。本文采用擾動(dòng)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(cè)值，P為對(duì)應(yīng)的輸出功率，U1，I1為當(dāng)前光伏電池的電壓、電流檢測(cè)值，P1為對(duì)應(yīng)的輸出功率，△I為電流調(diào)整步長(zhǎng)。Iref為參考電流。反復(fù)進(jìn)行輸出電流擾動(dòng)，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(diǎn)接近最大功率點(diǎn)。

圖4 擾動(dòng)觀察法的流程圖

2.2 最大功率點(diǎn)追蹤的仿真建模及仿真分析

1）仿真建模

本文最大功率點(diǎn)追蹤功能的實(shí)現(xiàn)在DC/DC級(jí)，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(jí)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(shí)現(xiàn)光伏的 MPPT,其實(shí)質(zhì)為匹配電池和后級(jí)變換器的動(dòng)態(tài)負(fù)載，當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，通過不斷調(diào)整DC-DC變換器的開關(guān)占空比，實(shí)現(xiàn)光伏電池與變換器之間的動(dòng)態(tài)負(fù)載匹配，實(shí)時(shí)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(diǎn)追蹤控制器，并與PV模型連接，對(duì)此控制電路進(jìn)行仿真模擬，當(dāng)參考條件S=1000 W/M2和TB=25℃時(shí)，對(duì)最大功率點(diǎn)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(shí)找到最大功率點(diǎn)工作電流，電壓穩(wěn)定在 103.4V，功率達(dá)到最大功率點(diǎn)510.8W附近，與圖所示的最大功率點(diǎn)相吻合。

圖8 相同光照下最大功率點(diǎn)追蹤波形

溫度不變時(shí)，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(shí), 由圖9可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度由弱變強(qiáng)時(shí)，最大輸出功率也隨之升高；當(dāng)光照強(qiáng)度由強(qiáng)減弱時(shí)，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(diǎn)。

3 結(jié)論

本文建立了基于Boost DC-DC電路的PV最大功率點(diǎn)追蹤仿真模型，以擾動(dòng)觀測(cè)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(shí)，所提出的最大功率點(diǎn)追蹤模型及控制策略也能在不同光照強(qiáng)度下準(zhǔn)確快速地追蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，因此該仿真模型具有很好的動(dòng)態(tài)特性和實(shí)用性。

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