研究与开发 基于ＢＯＯＳＴ电路光伏 电池的ＭＰＰＴ仿真研究 刘利红 陈启正２ （１．太原理工大学电气与动力工程学院，太原０３００２４；２．深圳供电规划设计院有限公司，深圳 ５１ ８０５４） 摘要 本文以扰动观测法为基础，建立了基于Ｂｏｏｓｔ电路的ＰＶ最大功率点追踪（ＭＰＰＴ） 的控制模型。运用Ｍａｔｔａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎ软件对ＭＰＰＴ进行了仿真分析。结果表明：该仿真模型达到的 追踪误差小，精度高，具有很好的追踪效果和动态特性。 关键词：光伏电池； 最大功率点追踪；扰动观测法 ＭＰＰＴ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｆｏｒ ＰＶ Ｍｏｄｕｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｏｏｓｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｌｉｕ Ｌｉｈｏｎｇ Ｃｈｅｎ Ｑｉｚｈｅｎｇ２ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔａｉｙｕａｎ ０３００２４ ２．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｐｌａｎｎｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５ １ ８０５４） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｐｅ￣ｕｒｂ ａｎｄ ｏｂｓｅｒｖｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｏｏｓｔ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｃｋｉｎｇ（ＭＰＰＴ）．ＭＰＰＴ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｏｎ Ｍａｔａｌｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｃａｎ ａｒｒｉｖｅ ｓｍａｌｌ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｅｒｒｏｒ，ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｇｏｏｄ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ．．ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｍｏｄｕｌｅ；ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ；Ｐ＆Ｏ 在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了 与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如 辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外 ） ｌＩ ｉＩ ｌＲ 界条件下，光伏电池可运行在不同且惟一的最大 功率点（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ Ｐｏｉｎｔ，ＭＰＰ）上，因此， 对于光伏发电系统来说，应该寻求光伏电池的最 优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能， 图１光伏电池等效电路 即需要采用最大功率点跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ Ｐｏｗｅｒ ，．： （１Ｐｏｉｎｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）技术…。 ，Ｌ＝ ｃ一 Ｉ 一ｓ／ＤＯ （（ｅ ｅ ｎ 一１一１１＿ ：± ）一二 — —上— Ｌ Ｊ） ｎｓＩＩ 本文根据光伏电池最大输出功率与光照度的 式中， 为光子在光伏电池中激发的电流；，ｌ】。为 关系，建立了基于Ｂｏｏｓｔ电路的ＭＰＰＴ仿真模型， 光伏电池在无光照时的饱和电流；ｑ为电了的电 采用扰动观测法，通过调整ＤＣ—ＤＣ电路的占空比 荷； 为玻尔兹曼常数； 为一个常数 ｒ；Ｒ 实现了最大功率点追踪。使用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ工 为光伏电池的外接负载；Ｒｓ为串联电阻：Ｒ ｈ为旁 具，在辐照度恒定和阶跃变化的情况下，对ＭＰＰＴ 漏电阻； 为负载电压；ＪｒＩ 为负载电流（亦即光 进行了仿真分析。 伏电池的输出电流）。 １光伏电池的特性 本文采用的是不考虑任何内阻的光伏电池理 想电路模型，此方法能够体现其物理特性，－叮刚 光伏电池实际上就是一个大面积平面二极管， 其 作可以图１的单二极管等效电路来描述 １。光 于对复杂电力系统进行分析研究。 光伏阵列的输出特性受到光照缇度、环境温 伏电池的特性方程如式（１）所示。 １ ０ ｌ电鲁詈ｌ技７ｌｔ ２０１ １年第９期 度的影响表现出非线性特性，可以用伏安特性 （，＿ ）和功率电压（尸． ）特性曲线来体现。图２ 和图３分别描述了相同温度、不同光照下的Ｐ一 特性曲线和１－Ｖ特性曲线。 图２相同温度、不同光照下的Ｐ－Ｖ特性曲线 图３相同温度、不同光照下的，＿ 特性仿真曲线 显然，光照度对光伏电池的输出功率有很大 的影响，在一定光照度下，Ｐ．Ｖ曲线只有一个最 大功率点，呈现出典型的非线性特征，从图中不 难看出，在相同的环境温度下，光照强度越高， 光伏阵列输出的最大功率越大；反之，光照强度 越低，光伏阵列输出的最大功率越小。同时也可 以看出，当光照强度变化时，最大功率点处对应 的电压值变化很小，电流值变化较大。 ２ ＰＶ最大功率点追踪 ２．１ 最大功率点追踪控制方法 扰动观测法［４１（Ｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，Ｐ＆Ｏ）是现阶段实现最大功率点跟踪常 用的自寻优类方法之一。它的工作原理为：通过 扰动光伏电池的输出电压（或电流），依据公式 ＝ｌｔｄｃｌ’、，ｏ、，来计算扰动前后光伏阵列的输出功率， 将扰动前后光伏阵列的输出功率进行比较：如果 扰动后光伏阵列的输出功率增大，则说明扰动能 使光伏阵列的输出功率增加，下一次可以往相同 的方向扰动光伏阵列的输出电压（或电流）；反之， 如果扰动后光伏阵列的输出功率减小，则说明扰 动使得光伏阵列的输出功率减小，下一次则往相 反的方向扰动光伏阵列的输出电压（电流）。本文 采用扰动电流的控制方式，控制流程如图４所示， 研究与开发 Ｕ、，为上一次光伏电池的电压、电流检测值，Ｐ 为对应的输出功率， ｌ， 为当前光伏电池的电 压、电流检测值，尸．为对应的输出功率，△，为电 流调整步长。 。，为参考电流。反复进行输出电流 扰动，使其电流的变化不断使光伏电池输出功率 朝大的方向改变，直到工作点接近最大功率点。 图４扰动观察法的流程图 ２．２ 最大功率点追踪的仿真建模及仿真分析 １）仿真建模 本文最大功率点追踪功能的实现在ＤＣ／ＤＣ级， 在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中构建的带有ＭＰＰＴ的ＰＶ（５１０ ｗ）仿真模型如图５所示。光伏电池的仿真模型如图 ６所示，Ｂｏｏｓｔ ＤＣ—ＤＣ的仿真模型如图７所示。将该 级作为光伏电池的负载，通过改变占空比来改变其与 光伏电池输出特性的匹配。实现光伏的ＭＰＰＴ，其实 质为匹配电池和后级变换器的动态负载，当外界环境 变化时，通过不断调整ＤＣ—ＤＣ变换器的开关占空比， 实现光伏电池与变换器之间的动态负载匹配，实时获 得光伏电池的最大输出功率［ 。 。．● ｆｗ ， Ｉ…。Ｐ盛 ｏｕｔ …… — 叫 ‘ ｆ一 －．ｔ ｆ 叫 。ｆ ．Ｈｆ ｆ Ｉ） Ｉ．Ｈ … 一 井 ？ ’：ｔ： Ｊ ．Ｈ ＪＪ脚 ～ 图５一带有ＭＰＰＴ的ＰＶ仿真模型 ２０１１年第９期电耆目ｌ技７ｌｃ Ｉ １ １ 研究与开发 ．Ｈ Ｉ Ｓ￣ｔｔｌｌｔｔｉｏｎ （（ｕ／ｂ卜１） Ｈ ｃｉｏｄｅ ２ ｌＤＶ Ｄ０ ２ ｌｒ ｄａｔｉｏｎ Ｉｐｑ Ｏ３ｎｓｔａ＇ｌｌ Ｇ Ｉｐｈ １ｒ ｔ ｚ 。 Ｉ ｌｉ －Ｈ Ｎｓ Ｓ ｔｄｈ Ｉｎｓｃｌａｔｉｏｎｔｏ ａ 叭ｇ百ｎ ± ｃ Ｃ￣ｔｒａｉｎｔ ．． Ｐ ｌｏ ｊ，、＾卜１）．． 删∞ｄ．目ｒａ曲 ｓｔｉｃ ｌ 唧 １，州 ｌ／Ｒｐ 图６光伏电池仿真模型 １ １ １ ｉ ・Ｖ 。 叫如ｏ ：［） ：１ 叫ｆ 一 Ｄ ４ ▲▲ Ｄ 一 ．吉 ＆ ｔｃＨｒ目ｌｏｓｓ ａ—旧ｒｔ 器 １ （１ ｌｇ。 踟【 ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ １ Ｖｏｕｔ 叫 一 一－Ｈ ３ ＿－Ｈ Ｆ＇ｉｎｐｕｔ＝ｖｇ＊ｋａ ｏ＜＝ｄａ ：１酾ｄｅｎｃｙ Ｅｍｃｉｅｎｃｙ ｃ￣ｃｕｌａｔｉｏｎ 图７ ＢｏｏｓｔＤＣ．ＤＣ仿真模型 ２）仿真分析 在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ里建立基于Ｂ００ＳＴ ； ０．４８ 一 一，、 一｝ ＤＣ．ＤＣ电路的最大功率点追踪控制器，并与ＰＶ模 一 型连接，对此控制电路进行仿真模拟，当参考条件 Ｓ－１０００ Ｗ／Ｍ 和ＴＢ＝２５℃时，对最大功率点的追踪 ｒ—■— ÷ 一：一．～＿－ 、 、 Ｉ、 波形如图８所示。从仿真结果看，ＤＣ—ＤＣ输入电 流 。ｆ在控制器的作用下不断增加，大概在１０ｓ时 找到最大功率点工作电流，电压稳定在１０３．４ｖ， 功率达到最大功率点５１０．８Ｗ附近，与图所示的最 大功率点相吻合。 ｅ｝ ／ 。。 。 ” ” “ 图８相同光照下最大功率点追踪波形 １２ ｌ电曩｜ｌ技术 ２０１１年第９期 研究与开发 ∞∞０∞ ５ ０ 温度不变时，系统给外界光照连续的阶跃变化， 在参考条件ＳＢ＝［Ｏ ４００ ８５０ ９５０ ０ ９５０ ８５０ ４００ ０］Ｗ／Ｍ 时，由图９可以看出，当光照强度由弱变强 时，最大输出功率也随之升高；当光照强度由强减 弱时，最大输出功率也随之减小，而且可以准确地 追踪不同光照下的最大功率点。 ＩＪ Ｆｔ¨，Ｒ ４００｝ ｝ ｝ ２００ １ｒ １ ０ １∞ 卸 ３００ ４００ Ｔｉｍｅ ｏｆｆｓｅｔ：０ 图９不同光照下最大功率点追踪波形 ３ 结论 本文建立了基于Ｂｏｏｓｔ ＤＣ．ＤＣ电路的ＰＶ最大 功率点追踪仿真模型，以扰动观测法为基础，提出 了ＭＰＰＴ控制策略。Ｍａｔａｌｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真结果表明： 所建立的光伏电池仿真模型可以准确反映其Ｐ．Ｖ和 特性曲线。同时，所提出的最大功率点追踪模型 及控制策略也能在不同光照强度下准确快速地追踪 光伏电池的最大功率点，因此该仿真模型具有很好 的动态特性和实用性。 参考文献 ［１］ 周林，武剑，栗秋花等．光伏阵列最大功率点跟踪控制 方法综述［Ｊ］．高电压技术，２００８，３４（６）：１１４５．１１５４． （２】 田勤曼．光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研 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ｏｎ．２０００，４７（２）：２８７—２９６． 作者简介 刘利红（Ｉ９８２一），女，硕士研究生，研究方向：光伏发电及电力系 统无功优化研究。 陈启正（１９８０一）男，本科，从事于电力设计工作。 ２ｏ１ １年第９期电鼍技贰ｆ １３
