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(wǎng)電力科學(xué)研究院，江蘇南京210003)

在我國“十二·五”規(guī)劃中，利用太陽能發(fā)電是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)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(fā)展的契機(jī)。目前太陽能電池最大功率點(diǎn)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(dòng)觀察法和增量電導(dǎo)法等3種[1，2]。文中采用恒定電壓跟蹤法來實(shí)現(xiàn)太陽能電池的MPPT，實(shí)現(xiàn)太陽能電池始終工作在最大功率點(diǎn)（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(tài)輻射與外界溫度作為輸入變量，由一系列的太陽能電池構(gòu)成的組件經(jīng)串并聯(lián)后組成的陣列(array),可以方便地設(shè)置各個(gè)串并聯(lián)組件數(shù)來實(shí)現(xiàn)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(shù)如下：Vocref為單個(gè)組件開路電壓值；Iocref為單個(gè)組件短路電流值；Vmpref為單個(gè)組件在MPP處的電壓值；Impref為單個(gè)組件在MPP處電流值。假定在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下（STC），即暫態(tài)輻射強(qiáng)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(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)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(wǎng)運(yùn)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(shè)任何時(shí)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(gè)阻抗變換器。而實(shí)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(diào)節(jié)外接電阻值，達(dá)到自動(dòng)尋優(yōu)的目的[3]。太陽能電池陣列工作在MPP處時(shí)，其輸出功率為：

外接等效電阻為：

Boost變換電路中，假設(shè)電路中電感L值很大，電容C值也很大。當(dāng)開關(guān)管處于通態(tài)時(shí)，電感L中的充電電流基本恒定，同時(shí)電容C向負(fù)載供電，保持輸出電壓Uo基本恒定，當(dāng)開關(guān)管處于斷態(tài)時(shí)，太陽能電池陣列與電感L共同向電容C充電，并向負(fù)載提供能量。一個(gè)周期內(nèi)電感L儲(chǔ)能與釋能相等。定義開關(guān)管通態(tài)時(shí)間為ton，斷態(tài)時(shí)間為toff，開關(guān)周期為T，開關(guān)頻率為 fs（fs=1/T），設(shè)占空比 D=ton/T[4]。 則：

理想情況下，各開關(guān)管損耗為0，負(fù)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(lián)立式（2），（7），（8）得：

（10）式還可以化為：

式中：fs為開關(guān)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(guān)?？梢姡３制渲幸粋€(gè)變量值不變，調(diào)節(jié)另一個(gè)變量，就可實(shí)現(xiàn)Req值的自動(dòng)尋優(yōu)。文中采用保持fs不變，調(diào)節(jié)ton，實(shí)現(xiàn)MPPT控制。

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

要實(shí)現(xiàn)上述外接電阻值的自動(dòng)尋優(yōu)，就要設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)

MPPT控制器的設(shè)計(jì)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(jù)上述提供的最大功率點(diǎn)估算方法得出，誤差一般可控制在3%以內(nèi)[5]。然后與太陽能電池陣列即時(shí)電壓進(jìn)行比較，偏差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器處理，用于控制PWM的調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而控制Boost變換電路中開關(guān)管脈沖占空比D，使其工作在合適的狀態(tài)，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)太陽能電池陣列的輸出電壓及電流，形成閉環(huán)控制，使輸出電壓穩(wěn)定在估算出的MPP附近。

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

因?yàn)?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(guān)于端電壓UPV的函數(shù)，PI調(diào)節(jié)器使UPV趨于Vref，即 R趨于 Req，達(dá)到了MPPT控制的目的。

3 仿真及結(jié)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(gè)組件包含的電池?cái)?shù)Nc=36，并聯(lián)的組件數(shù)NP=5，串聯(lián)組件數(shù)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(diào)節(jié)器的參考電壓值Vref。仿真拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RSCAD中搭建的PV-boost仿真模型

該仿真是在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下進(jìn)行的。仿真步長為 12 μs，Boost電路參數(shù)為：L=0.1 H；C=0.01 F；R=100 Ω。PWM發(fā)生器載波信號(hào)為鋸齒波，頻率為3 kHz。調(diào)制波信號(hào)由PI調(diào)節(jié)器控制，PI調(diào)節(jié)器參數(shù)分別為：Kp=0.1；Ti=0.07。

在RTDS中進(jìn)行仿真，啟動(dòng)仿真器時(shí)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(shí)時(shí)電壓及參考電壓波形

圖5 太陽能電池陣列實(shí)時(shí)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(gè)功率點(diǎn)處的仿真波形如圖7所示，可以看出，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速率快，波形波動(dòng)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(jīng)歷一個(gè)下降過程，然后很快穩(wěn)定在設(shè)定值Vref附近，達(dá)到了MPPT控制的目標(biāo)。從圖4還可以得出：UPV=174 V；IPV=15.3 A；PPV=UPV·IPV=2.66 kW； 調(diào)制信號(hào)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(shí)現(xiàn)了太陽能電池陣列在STC下MPPT控制。

4 結(jié)束語

恒定電壓跟蹤法最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、跟蹤速度快，功率跟蹤準(zhǔn)確。最大的缺點(diǎn)是由于電壓參考值是通過估算得出的，難免會(huì)產(chǎn)生誤差。在精度要求很高的場合，該方法還有待改進(jìn)。由于MPP的跟蹤控制過程實(shí)際上是尋找外接電路等效電阻的最優(yōu)值過程。從推算出的（11）式還可以看出，Req值與ton及fs有關(guān)。本文是通過控制D來實(shí)現(xiàn)等效電阻自尋優(yōu)實(shí)現(xiàn)的，即保持fs不變，調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)MPPT的控制。

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

[2]邵 翠，丁 寶，宋鎮(zhèn)江，等.光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)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(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2010，27（9）：104-107.

[4]王兆安，黃 俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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(diǎn)跟蹤控制[J].江蘇電機(jī)工程，2011，30（5）：17-19.