基于Boost 電路的光伏發(fā)電MPPT 仿真研究

馬瑞鈺 蔡 俊

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南232001）

0 引言

太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的能源。 太陽(yáng)照射到地球上一天的能原諒，就足夠全人類使用一整年。因此，太陽(yáng)能受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。光伏發(fā)電就是利用半導(dǎo)體將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化成電能的一項(xiàng)技術(shù)。 光伏電池制造所需的硅元素在地球上很充足，其含量高達(dá)26%，故不存在資源短缺、耗盡的問(wèn)題。 所以光伏發(fā)電是目前世界上發(fā)展前景最好的一門發(fā)電技術(shù)。而光伏系統(tǒng)現(xiàn)在存在一個(gè)主要的問(wèn)題就是發(fā)電效率低，因此，如何提高光伏電池轉(zhuǎn)換效率是光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要研究方向。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT-Maximum Power Point Tracker）就是其中一個(gè)尤為重要的課題。

1 光伏電池輸出特性分析

光伏電池的輸出特性曲線如圖1 所示：其中圖（a）為不同溫度（這里的溫度表示光伏電池內(nèi)部PN 結(jié)處的溫度） 時(shí)的P-V 特性曲線，圖（b）為不同日照強(qiáng)度下的P-V 特性曲線。 從圖中我們可以得知，光伏電池輸出特性曲線具有較強(qiáng)的非線性。 光伏電池的輸出變化受溫度、日照強(qiáng)度變化影響。 當(dāng)日照強(qiáng)度增大時(shí)，電池的開(kāi)路電壓基本保持不變，短路電流明顯增加，最大輸出功率也增加。 當(dāng)溫度升高時(shí)，電池的開(kāi)路電壓下降，短路電流略有增加，最大輸出功率減小。故當(dāng)溫度和日照強(qiáng)度不變時(shí)，光伏電池有最大功率點(diǎn)，能輸出當(dāng)前條件下的最大功率。

圖1 光伏電池的輸出特性曲線

2 最大功率跟蹤控制方法研究

光伏陣列的最大功率跟蹤通常都是通過(guò)DC-DC 變化電路實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)的DC-DC 變換電路有Buck、Cuk 及Boost 等等。由于Boost 電路較為簡(jiǎn)單，可以工作在連續(xù)模式，而且相對(duì)其它電路轉(zhuǎn)換效率要略高一些，故我們采用Boost 電路實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

2.1 Boost 電路簡(jiǎn)介

升壓斬波電路（Boost Chopper）的原理圖及工作波形如圖2 所示。

開(kāi)關(guān)S 狀態(tài)1：a 導(dǎo)通，電流iL 流過(guò)電感線圈L，輸入電壓全部加在電感L 上面，電流線性iL 增加，此時(shí)二極管截止，負(fù)載有電容提供能量。

圖2 Boost 電路原理圖及工作波形

開(kāi)關(guān)S 狀態(tài)2：b 導(dǎo)通，二極管正向偏置而導(dǎo)通，電源功率和儲(chǔ)存在電感L 中的能量通過(guò)二極管D 輸送給負(fù)載和濾波電容C。

圖3 BOOST 電路等效電路

其中輸入輸出關(guān)系為：

其中Vo 為輸出電壓，即負(fù)載兩端的電壓；Vs 為輸入電壓，即光伏陣列兩端的電壓；D 為占空比。 可得出：

即 RD=RL(1-D)2

其中D 為占空比，RD 為BOOST 電路中的等效輸入阻抗，RL 為負(fù)載阻抗。

2.2 MPPT 仿真

然后Boost 電路為前級(jí)電路，在Matlab/simulink 環(huán)境中建立了太陽(yáng)能電池仿真模型，用來(lái)模擬驗(yàn)證光伏電池的輸出特性。其中Tc、S、U為輸入?yún)?shù)，輸出電流I 為輸出參數(shù)，且I 大小由Tc、S、U 決定。

仿真電路見(jiàn)圖4：

圖4 MPPT simulink 仿真電路圖

當(dāng)負(fù)載為200Ω 時(shí)，占空比D 為0.81 時(shí)，通過(guò)仿真得出以下仿真波形（如圖5）：

此時(shí)的等效電阻為：

RD=RL(1-D)2=200*(1-0.81)2=7.22Ω

由以上分析可知，太陽(yáng)能電池板帶負(fù)載時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比，利用BOOST 電路變換， 實(shí)現(xiàn)阻抗匹配， 能使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)。 在設(shè)定的工作環(huán)境下，仿真所用太陽(yáng)能電池板設(shè)定的最大功率為175W，最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓為35.5V。

圖5

則其最佳匹配阻抗為：

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