太陽能電池接Boost電路MPPT控制仿真分析

任立平，朱 祁，于躍海，胡 云

(國網電力科學研究院，江蘇南京210003)

在我國“十二·五”規劃中，利用太陽能發電是建設堅強智能電網的重要組成部分。太陽能作為一種最好的可再生能源，必將迎來發展的契機。目前太陽能電池最大功率點跟蹤（MPPT）控制算法有很多種，最常用的有：恒定電壓跟蹤法、擾動觀察法和增量電導法等3種[1，2]。文中采用恒定電壓跟蹤法來實現太陽能電池的MPPT，實現太陽能電池始終工作在最大功率點（MPP）附近。

1 太陽能電池模型

RSCAD軟件中太陽能電池模型如圖1所示，是一種基于肖特基二極管的精確太陽能電池組件。該模型以暫態輻射與外界溫度作為輸入變量，由一系列的太陽能電池構成的組件經串并聯后組成的陣列(array),可以方便地設置各個串并聯組件數來實現陣列輸出的電壓、電流。

圖1 RSCAD中太陽能電池模型

該模型中，基本參數如下：Vocref為單個組件開路電壓值；Iocref為單個組件短路電流值；Vmpref為單個組件在MPP處的電壓值；Impref為單個組件在MPP處電流值。假定在標準測試條件下（STC），即暫態輻射強度為1 000 W/m2，外界溫度為25℃，Vocref=21.7 V；Iocref=3.35 A；Vmpref=17.4 V；Impref=3.05 A。

2 MPPT控制原理

根據實際需要，設計出合理的太陽能電池陣列，一般外接Boost變換電路，使其電壓升高，然后接逆變器使其并網運行。文中闡述的太陽能電池陣列外接Boost變換電路使其電壓升高，并控制太陽能電池陣列工作在MPP處，最大限度提高太陽能的利用效率。

設任何時刻太陽能電池陣列端電壓與端電流分別為UPV與IPV，在MPPT控制過程中，UPV與IPV均在變化，即RPV=UPV/IPV也在變化，從電路匹配角度看，需要一個阻抗變換器。而實際Boost變換電路中，電阻R是定值，這就需要控制其他變量來調節外接電阻值，達到自動尋優的目的[3]。太陽能電池陣列工作在MPP處時，其輸出功率為：

外接等效電阻為：

Boost變換電路中，假設電路中電感L值很大，電容C值也很大。當開關管處于通態時，電感L中的充電電流基本恒定，同時電容C向負載供電，保持輸出電壓Uo基本恒定，當開關管處于斷態時，太陽能電池陣列與電感L共同向電容C充電，并向負載提供能量。一個周期內電感L儲能與釋能相等。定義開關管通態時間為ton，斷態時間為toff，開關周期為T，開關頻率為 fs（fs=1/T），設占空比 D=ton/T[4]。 則：

理想情況下，各開關管損耗為0，負載電阻R消耗的功率為PL，則輸出功率等于輸入功率，即：

可以得到：

定義：

聯立式（2），（7），（8）得：

（10）式還可以化為：

式中：fs為開關頻率。

由式（11）可以看出，RL值不變的情況下，Req值與ton及fs有關。可見，保持其中一個變量值不變，調節另一個變量，就可實現Req值的自動尋優。文中采用保持fs不變，調節ton，實現MPPT控制。

上述分析是在理想情況下進行的，實際仿真中，開關管及二極管等都存在功率損耗，式（10）不嚴格相等，仿真出來的D值比理想值偏小。

要實現上述外接電阻值的自動尋優，就要設計出合理的MPPT控制電路。MPPT控制電路如圖2所示。

圖2 太陽能陣列MPPT控制結構

MPPT控制器的設計原理如下：給定直流電壓參考值Vref（一般取為0.81Uoc），此值可以根據上述提供的最大功率點估算方法得出，誤差一般可控制在3%以內[5]。然后與太陽能電池陣列即時電壓進行比較，偏差值經過PI調節器處理，用于控制PWM的調制信號，進而控制Boost變換電路中開關管脈沖占空比D，使其工作在合適的狀態，進而可以調節太陽能電池陣列的輸出電壓及電流，形成閉環控制，使輸出電壓穩定在估算出的MPP附近。

文中鋸齒波幅值為0.5，波形關于縱坐標y=0.5對稱，這樣就保證了ton=m。根據PI調解原理及上述公式，有：

因為 RL， fs，Vref為定值，由式（12）可以看出，太陽能電池陣列外接端電阻值R是關于端電壓UPV的函數，PI調節器使UPV趨于Vref，即 R趨于 Req，達到了MPPT控制的目的。

3 仿真及結果

利用RSCAD仿真軟件搭建仿真模型，模型中太陽能電池陣列單個組件包含的電池數Nc=36，并聯的組件數NP=5，串聯組件數Ns=10。由NP及Ns并與上述提供的估算公式，可估算出該太陽能電池陣列 MPPT處的電壓值 Vmpp=0.8·21.7·Ns=174 V，此值作為PI調節器的參考電壓值Vref。仿真拓撲結構如圖3所示。

圖3 RSCAD中搭建的PV-boost仿真模型

該仿真是在標準測試條件下進行的。仿真步長為 12 μs，Boost電路參數為：L=0.1 H；C=0.01 F；R=100 Ω。PWM發生器載波信號為鋸齒波，頻率為3 kHz。調制波信號由PI調節器控制，PI調節器參數分別為：Kp=0.1；Ti=0.07。

在RTDS中進行仿真，啟動仿真器時刻起，仿真波形如下圖4、圖5與圖6所示。

圖4 太陽能電池陣列實時電壓及參考電壓波形

圖5 太陽能電池陣列實時電流輸出波形

圖6 太陽能電池輸出功率波形

太陽能電池從MPP初切換到另一個功率點處的仿真波形如圖7所示，可以看出，動態響應速率快，波形波動小。

圖7 太陽能電池端電壓切換波形

由圖4可知，仿真開始，太陽能電池的輸出電壓經歷一個下降過程，然后很快穩定在設定值Vref附近，達到了MPPT控制的目標。從圖4還可以得出：UPV=174 V；IPV=15.3 A；PPV=UPV·IPV=2.66 kW； 調制信號幅值顯示為0.499 8，即占空比D=0.499 8，Uo=435.2 V。

可以看出，該仿真成功實現了太陽能電池陣列在STC下MPPT控制。

4 結束語

恒定電壓跟蹤法最大的優點是設計簡單、跟蹤速度快，功率跟蹤準確。最大的缺點是由于電壓參考值是通過估算得出的，難免會產生誤差。在精度要求很高的場合，該方法還有待改進。由于MPP的跟蹤控制過程實際上是尋找外接電路等效電阻的最優值過程。從推算出的（11）式還可以看出，Req值與ton及fs有關。本文是通過控制D來實現等效電阻自尋優實現的，即保持fs不變，調節ton；若保持ton不變，理論上還可以通過控制鋸齒波的頻率fs來實現MPPT的控制。

[1]張財志，劉永浩，賈俊波，等.基于LabVIEW太陽能電池最大功率點跟蹤研究[J].電力電子技術，2009，43（12）：8-70.

[2]邵 翠，丁 寶，宋鎮江，等.光伏系統最大功率點跟蹤控制算法的研究[J].建筑電氣，2010（6）：34-38.

[3]范曉聰，方建安.基于模糊PID控制的光伏并網發電系統設計[J].機電工程，2010，27（9）：104-107.

[4]王兆安，黃 俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

[5]任立平，董興綠，于躍海，等.基于RTDS太陽能電池建模及最大功率點跟蹤控制[J].江蘇電機工程，2011，30（5）：17-19.