太阳能电池接Boost电路MPPT控制仿真分析

任立平，朱 祁，于跃海，胡 云

(国网电力科学研究院，江苏南京210003)

在我国“十二·五”规划中，利用太阳能发电是建设坚强智能电网的重要组成部分。太阳能作为一种最好的可再生能源，必将迎来发展的契机。目前太阳能电池最大功率点跟踪（MPPT）控制算法有很多种，最常用的有：恒定电压跟踪法、扰动观察法和增量电导法等3种[1，2]。文中采用恒定电压跟踪法来实现太阳能电池的MPPT，实现太阳能电池始终工作在最大功率点（MPP）附近。

1 太阳能电池模型

RSCAD软件中太阳能电池模型如图1所示，是一种基于肖特基二极管的精确太阳能电池组件。该模型以暂态辐射与外界温度作为输入变量，由一系列的太阳能电池构成的组件经串并联后组成的阵列(array),可以方便地设置各个串并联组件数来实现阵列输出的电压、电流。

图1 RSCAD中太阳能电池模型

该模型中，基本参数如下：Vocref为单个组件开路电压值；Iocref为单个组件短路电流值；Vmpref为单个组件在MPP处的电压值；Impref为单个组件在MPP处电流值。假定在标准测试条件下（STC），即暂态辐射强度为1 000 W/m2，外界温度为25℃，Vocref=21.7 V；Iocref=3.35 A；Vmpref=17.4 V；Impref=3.05 A。

2 MPPT控制原理

根据实际需要，设计出合理的太阳能电池阵列，一般外接Boost变换电路，使其电压升高，然后接逆变器使其并网运行。文中阐述的太阳能电池阵列外接Boost变换电路使其电压升高，并控制太阳能电池阵列工作在MPP处，最大限度提高太阳能的利用效率。

设任何时刻太阳能电池阵列端电压与端电流分别为UPV与IPV，在MPPT控制过程中，UPV与IPV均在变化，即RPV=UPV/IPV也在变化，从电路匹配角度看，需要一个阻抗变换器。而实际Boost变换电路中，电阻R是定值，这就需要控制其他变量来调节外接电阻值，达到自动寻优的目的[3]。太阳能电池阵列工作在MPP处时，其输出功率为：

外接等效电阻为：

Boost变换电路中，假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当开关管处于通态时，电感L中的充电电流基本恒定，同时电容C向负载供电，保持输出电压Uo基本恒定，当开关管处于断态时，太阳能电池阵列与电感L共同向电容C充电，并向负载提供能量。一个周期内电感L储能与释能相等。定义开关管通态时间为ton，断态时间为toff，开关周期为T，开关频率为 fs（fs=1/T），设占空比 D=ton/T[4]。 则：

理想情况下，各开关管损耗为0，负载电阻R消耗的功率为PL，则输出功率等于输入功率，即：

可以得到：

定义：

联立式（2），（7），（8）得：

（10）式还可以化为：

式中：fs为开关频率。

由式（11）可以看出，RL值不变的情况下，Req值与ton及fs有关。可见，保持其中一个变量值不变，调节另一个变量，就可实现Req值的自动寻优。文中采用保持fs不变，调节ton，实现MPPT控制。

上述分析是在理想情况下进行的，实际仿真中，开关管及二极管等都存在功率损耗，式（10）不严格相等，仿真出来的D值比理想值偏小。

要实现上述外接电阻值的自动寻优，就要设计出合理的MPPT控制电路。MPPT控制电路如图2所示。

图2 太阳能阵列MPPT控制结构

MPPT控制器的设计原理如下：给定直流电压参考值Vref（一般取为0.81Uoc），此值可以根据上述提供的最大功率点估算方法得出，误差一般可控制在3%以内[5]。然后与太阳能电池阵列即时电压进行比较，偏差值经过PI调节器处理，用于控制PWM的调制信号，进而控制Boost变换电路中开关管脉冲占空比D，使其工作在合适的状态，进而可以调节太阳能电池阵列的输出电压及电流，形成闭环控制，使输出电压稳定在估算出的MPP附近。

文中锯齿波幅值为0.5，波形关于纵坐标y=0.5对称，这样就保证了ton=m。根据PI调解原理及上述公式，有：

因为 RL， fs，Vref为定值，由式（12）可以看出，太阳能电池阵列外接端电阻值R是关于端电压UPV的函数，PI调节器使UPV趋于Vref，即 R趋于 Req，达到了MPPT控制的目的。

3 仿真及结果

利用RSCAD仿真软件搭建仿真模型，模型中太阳能电池阵列单个组件包含的电池数Nc=36，并联的组件数NP=5，串联组件数Ns=10。由NP及Ns并与上述提供的估算公式，可估算出该太阳能电池阵列 MPPT处的电压值 Vmpp=0.8·21.7·Ns=174 V，此值作为PI调节器的参考电压值Vref。仿真拓扑结构如图3所示。

图3 RSCAD中搭建的PV-boost仿真模型

该仿真是在标准测试条件下进行的。仿真步长为 12 μs，Boost电路参数为：L=0.1 H；C=0.01 F；R=100 Ω。PWM发生器载波信号为锯齿波，频率为3 kHz。调制波信号由PI调节器控制，PI调节器参数分别为：Kp=0.1；Ti=0.07。

在RTDS中进行仿真，启动仿真器时刻起，仿真波形如下图4、图5与图6所示。

图4 太阳能电池阵列实时电压及参考电压波形

图5 太阳能电池阵列实时电流输出波形

图6 太阳能电池输出功率波形

太阳能电池从MPP初切换到另一个功率点处的仿真波形如图7所示，可以看出，动态响应速率快，波形波动小。

图7 太阳能电池端电压切换波形

由图4可知，仿真开始，太阳能电池的输出电压经历一个下降过程，然后很快稳定在设定值Vref附近，达到了MPPT控制的目标。从图4还可以得出：UPV=174 V；IPV=15.3 A；PPV=UPV·IPV=2.66 kW； 调制信号幅值显示为0.499 8，即占空比D=0.499 8，Uo=435.2 V。

可以看出，该仿真成功实现了太阳能电池阵列在STC下MPPT控制。

4 结束语

恒定电压跟踪法最大的优点是设计简单、跟踪速度快，功率跟踪准确。最大的缺点是由于电压参考值是通过估算得出的，难免会产生误差。在精度要求很高的场合，该方法还有待改进。由于MPP的跟踪控制过程实际上是寻找外接电路等效电阻的最优值过程。从推算出的（11）式还可以看出，Req值与ton及fs有关。本文是通过控制D来实现等效电阻自寻优实现的，即保持fs不变，调节ton；若保持ton不变，理论上还可以通过控制锯齿波的频率fs来实现MPPT的控制。

[1]张财志，刘永浩，贾俊波，等.基于LabVIEW太阳能电池最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术，2009，43（12）：8-70.

[2]邵 翠，丁 宝，宋镇江，等.光伏系统最大功率点跟踪控制算法的研究[J].建筑电气，2010（6）：34-38.

[3]范晓聪，方建安.基于模糊PID控制的光伏并网发电系统设计[J].机电工程，2010，27（9）：104-107.

[4]王兆安，黄 俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[5]任立平，董兴绿，于跃海，等.基于RTDS太阳能电池建模及最大功率点跟踪控制[J].江苏电机工程，2011，30（5）：17-19.