基于Boost電路的光伏電池最大功率點跟蹤仿真研究

摘要：太陽能的合理利用對社會發展與日常生活具有重大意義。為了更高效地利用太陽能，深入研究光伏系統中的最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術至關重要。通過對光伏電池數學模型的分析，并結合先進的Matlab/Simulink仿真工具，可以更精準地模擬和優化光伏系統的工作狀態。采用升壓電路（Boost）與擾動觀察法相結合的策略能夠有效跟蹤光伏電池的最大功率點，提升太陽能利用效率。

關鍵詞：最大功率點 光伏系統 Boost電路 光伏發電

Simulation Research on Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Cells Based on Boost Circuit

SUN Chen SUN Fuyang

The 58th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Wuxi， Jiangsu Province， 214035 China

Abstract： The rational utilization of solar energy is of great significance to social development and daily life. To utilize solar energy more efficiently， it is crucial to delve deeply into the Maximum Power Point Tracking （MPPT） technology in photovoltaic systems. By analyzing the mathematical model of photovoltaic cells and combining it with the advanced Matlab/Simulink simulation tool，" the working state of photovoltaic systems can be more accurately simulated and optimized. The strategy of combining the Boost circuit with the Perturb and Observe method can effectively track the maximum power point of photovoltaic cells， enhancing solar energy utilization efficiency.

Key Words： Maximum power point; Photovoltaic system; Boost circuit; Photovoltaic power generation

隨著傳統能源的無限制開采和使用，如煤、石油、天然氣等，人類的發展面臨著能源枯竭的問題，開發新的能源迫在眉睫。太陽能乃大自然賦予人類的寶貴饋贈，如何充分利用好太陽能一直是關注的焦點。

目前，太陽能電池轉換效率不高，不能很好地將太陽能轉換為所需要的能量，主要受到負載、空氣溫度、輻照、控制算法等因素的影響。光伏電池轉換效率的提高，對整個發電系統都有著重要意義[1]。

本文基于提高光伏電池的利用率，分析光伏電池模型，全面考量哪些要素對光伏電池的轉換效率產生主要影響，從電路的選擇及控制算法的對比選擇最優的解決方案，通過對比分析，搭建整個系統模型，包括升壓電路、擾動觀察法，在最大功率點（Maximum Power Point，MPP）附近電池工作，能夠有效地解決電池轉換效率不高的問題。

1 太陽能電池的等效模型與仿真

分析太陽能電池的數學模型，充分考慮主要的影響因素，給太陽能電池提供溫度為25 ℃，光照強度為1 000 W/M2的外界環境條件。為了搭建模型，給負載取最小、最大值來獲取一些參數。當負載R1=0時，表示光伏組件輸出端短路，此時，短路電流為Isc。

當負載R1趨近于無窮大時，表明光伏組件的輸出端處于開路狀態。此時，太陽能電池產生的輸出電壓，即為開路電壓Uoc。需特別強調的是，太陽能電池的開路電壓Uoc并非一成不變，它會受到光照強度和環境溫度的顯著影響[2]。

不考慮其他因素的太陽能電池可以認為串聯電阻Rs無限接近于零，而并聯電阻Rsh此時的值可以認為是無窮大，計算時可不計。這時可以得到通過后端的電流IL。此時，太陽能電池的U-I關系曲線可以繪制出。

2" MPPT的方法研究

2.1 基于電導增量法MPPT的研究

電導增量法的核心機制在于，光伏電池組件達到最大功率點時，其電壓的導數會趨近于一個穩定值，并且此時電壓與功率之間的導數值則降為0。這一獨特性質為算法設計提供了新穎的思路：利用功率微分與電壓微分之間的特定關系來判斷系統是否已處于功率最優狀態。具體而言，在最大功率點，功率相較于電壓的微分值會降為0；而在除起始時刻外的任何其他時間點，這一微分結果都會維持為一個不變的常數。光伏電池的整個P-U圖可以分為A（不穩定工作區）、M（理想工作區）、B（穩定工作區）3個部分，每個部分代表不同的工作區域[3]。

電導增量法的缺點是步長的過大或過小都會導致系統的不穩定性加劇[4]。

2.2" 基于改進擾動觀察法MPPT的研究

擾動觀察法，亦稱爬山法，其核心原理是對光伏組件的輸出電壓施加一個微小的擾動，并緊接著計算光伏陣列的輸出功率。具體實踐是，在施加擾動之前和之后，分別計算功率值，并計算二者的差異。若擾動后的輸出功率相較于擾動前呈現增長，依據光伏電池的P-U特性曲線，這預示著光伏組件的輸出功率尚有提升空間，故下一次的擾動應保持相同方向，繼續作用于光伏陣列的輸出電壓。反之，若擾動后的輸出功率出現下降，這顯示此次擾動對光伏陣列的輸出功率產生了不利影響，應當調整策略，下一次施加與當前輸出電壓方向相反的擾動[5]。

根據擾動觀察法的控制流程，施加一個方向的擾動和原來的對比，直到最大功率點。

3" 基于boost電路的MPPT模型搭與仿真

最大功率點的電壓值在20～50 V范圍內，主要的影響因素是環境溫度，采用控制變量法，當環境溫度和太陽光照保持不變情況下，會有最大功率點的電壓值。分析太陽能電池模型，考慮整個系統實際工作情況，Buck降壓直流變換器不匹配最大功率跟蹤點，最終采用Boost直流變換器。由Boost的伏秒平衡，可得：

根據能量守恒，可得：

（Imid為CCM Boost電感的電流中心值）

當輸出最小負載Io min，即△I=2Imid，也就是Boost處于臨界狀態，可得：

采用擾動觀察法，根據上述公式計算參數值，模型中主要參數的取值：當負載選用20Ω電阻時，電感L與電容C分別選擇為590μH和400μF，Boost-MPPT升壓電路最大功率跟蹤點仿真模型如下圖所示。

用于仿真的光伏電池板模型在光照1 000 s/m2、溫度在25 ℃下的I－U（在光照和溫度一定的條件下電流和電壓的關系）曲線、P－U（在光照和溫度一定的條件下功率和電壓的關系）曲線分別如圖2、圖3所示。

圖2表示了電壓、電流的曲線，圖3表示了功率與電壓的曲線，從波形圖可以看出當電壓在22 V左右，有個最大功率點。圖4為boost電路的MPPT模型輸出的電壓與功率波形。

從圖5可知，在Boost電路的MPPT模型中，光伏電池功率最大的點就是Boost變換器輸出的電壓值，輸出功率也接近光伏最大功率點。

本文分析了光伏電池的數學模型，選擇Boost電路，采用擾動觀察法，在Matlab／Simulink中搭建仿真模型，在整個系統的直流變換前端，考慮各個方面的影響因素，在Boost電路中使用擾動觀察法，可以完成跟蹤最大功率點的要求。

參考文獻

[1]邱璇.適應高滲透率光伏接入的電池儲能協同控制技術研究[D].南京：南京郵電大學，2023..

[2]李士垚.兩級式光伏發電系統的設計與仿真研究[D].徐州：中國礦業大學，2023..

[3]王戰.基于量子粒子群算法的光伏發電系統MPPT控制方法研究[D].廣州：廣東技術師范大學，2023.

[4]李艷.直流母線式光伏發電系統的最大功率跟蹤控制策略研究[D].恩施：湖北民族大學，2023.

[5]孫明月.光伏發電系統最大功率追蹤及并網控制的研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2020.