基于Boost电路的MPPT控制系统的设计

基于Boost电路的MPPT控制系统的设计

DesignofMPPTControlSystemBasedonBoostCircuit

杨晓雨（中国船舶重工集团公司第七一三研究所，河南郑州450015）

摘要：太阳能最大效率发电是现在研究的热点。系统采用定步长电导增量法研究基于MATLAB下光伏发电最大功率跟踪情况。基于Boost电路的MPPT控制系统设计简单，操作灵活，最后搭建Simulink仿真模块，输出PV特性曲线表明

MPPT控制系统可以迅速地追踪到最大功率点，在外界条件变化时，过渡过程平稳光滑，系统迅速进入新的稳态。

关键词：光伏发电，MPPT，Simulink

Abstract:Thesystemusesthefixed－lengthconductanceincrementmethodtostudythemaximumpowertrackingofphotovoltaicpowergenerationbasedonMATLAB．TheMPPTcontrolsystembasedonBoostcircuitissimpleindesignandflexibleinoperation．Finally,theSimulinksimulationmoduleissetup．TheoutputPVcharacteristiccurveshowsthattheMPPTcontrolsystemcanquicklytrackthemaximumpowerpoint．smooth．Thesystemisbecomingsteadystatequickly．

Keywords:PV,MPPT,MATLAB

Whentheexternalconditionschange,thetransitionprocessis

光伏电池的特性曲线呈非线性，其输出受外界温度，光照强式中Iph为光生电流，Id为流过二极管的电流，Ish为漏电流，

度，负载等因素的影响。系统装载MPPT控制系统来追踪特性曲线最大功率点，实现光伏电池的最大功率输出。Boost电路效率

高、体积小，易于实现MPPT控制功能。本文针对MPPT进行

Simulink仿真研究，算法采用的是电导增量法（INC）［1］，光伏电池模型选取的是工程数学模型，基于boost升压电路搭建MATLAB仿真模块，应用于MPPT控制系统的研究。1光伏电池输出特性

光伏电池的输出特性曲线呈非线性，其在等效电路中可以看

I0为二极管反向饱和电流，A为二极管品质因子，K为玻尔兹曼常数（1．3810－23J／K），q为电荷常量，T为光伏电池外界温度［2］。

光伏电池Simulink仿真模块搭建如图2。由（1）式可以看出，光伏

电池的输出波形呈非线性，由温度、光照强度、负载等综合影响，PV特性曲线如图3所示。

成一个恒流源，其输出特性方程如式(1)，等效电路图如图1所示。从光伏电池的PV特性曲线可以看出，电池的输出功率存在唯一的最大点，不同的温度和光照所对应的最大功率点也不尽相同。MPPT原理即是通过检测工况，在

图3

不同温度下的PV曲线

外界变化的情况下追踪到此条件下的最大功率点［3］。

2MPPT控制仿真模型

MPPT是整个光伏电池工作的核心所在，整个模块主要分

图1

光伏电池理想状态等效电路图

为两部分，第一部分通过采样信号计算下一时刻占空比扰动的

由光伏电池等效电路可得：

Iout＝Iph－Id－Ish＝Iph－I0e

方向，第二部分就是根据扰动方向产生PWM波。针对MPPT研究方法主要包括扰动观测法、导纳增量法、恒定电压法等。

（1）

!q（U＋IoutRsS）

－1

AKT

\"－Ish

恒定电压法：恒定电压法是功率追踪的常用方法，该方法工作方式简单易操作，其工作示意图如图4所示：

可以看出恒定电压法的原理是将最大功率点看成一条近似的垂线，对应的最大功率点的电压是一定的。恒定电压法的特点十分明显：

1）操作方法简单，只需

图4恒定电压法原理示意图

要采样光伏阵列电压值与设定值比较输出控制信号即可。

图2

光伏阵列仿真模型

2）精度差，由于其算法过于简单，所以控制系统精度不高。3）跟踪性差，如果外部条件变化过于激烈，最大功率点变化

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出现偏移，此时不能很好地跟踪到最大功率点［4］。

导纳增量法：电导增量法也是跟踪最大功率点的常用方法

之一。由光伏电池PV特性曲线可以总结出在最大功率点dP／

dU＝0，通过对公式两边求导可得dI／dU＋I／U＝0。采集光伏阵列此时刻和上一时刻的电压和电流，来判断公式与0的关系进一步

输出控制信号。当外界条件变化时，导纳增量法进一步的提高了系统的稳定性，使得系统稳定的工作在最大功率点，波动很小［5］。

扰动观察法：扰动观测法是通过给定扰动电压来使系统能

够判别并追踪最大功率点。对光伏阵列进行不间断式的扰动，每次扰动的结果都与上一时刻的进行比较，如果此时刻的功率大于上一时刻，则保持此扰动方向，如果功率小于上一时刻，则进行相反方向的扰动。此方法针对外界条件变化时不会追踪的很快，另外系统一直在最大功率点附近震荡，不会产生十分稳定的功率［6］。

本系统软件采用定步长电导增量法［7］，并在Simulink搭建

boost电路仿真模块。由光伏阵列输出特性曲线可以看出，位于最大功率点左侧斜率大于0，即dI／dU＋I／U＞0，此时应增大输出电压，减小占空比；位于最大功率点右侧斜率大于0，即dI／dU＋I／U＜0，此时应减小输出电压，增大占空比；如果dI／dU＋I／U＝0，

则保持此时状态［8］。

仿真模块中使用零阶保持器来采样阵列输出电压和电流，

使用memory模块来保持上一阶段的采样值，采样时间设定为

0．0001s，第一个switch模块来判别位于最大功率点的左侧或者右侧［9］。通过sign2产生信号，当位于MPP左侧时，sigh2输出低电平－1，当位于MPP右侧时，输出高电平1，当位于MPP时，输出信号0。输出信号以0．005的步长来扰动占空比［10］，通过与上一时刻的d值相加来产生此时刻的d值，最终与三角载波比较产生控制信号。三角载波的参数直接决定产生PWM的信号，设定三角载波频率为250Hz，载波最大值设为1，最小值设为－1。整个MPPT模块仿真图如图5所示：

图5

MPPT系统模型搭建

3仿真输出研究

标准外界因素下的PV曲线如图6所示，选取标准外界参

图6

标准状况下光伏阵列输出功率波形图

基于Boost电路的MPPT控制系统的设计

数温度T＝25°C，光照S＝1000kW／m2，短路电流Isc＝8．32A，开路电压Voc＝21．6V，峰值电压Vm＝16．6V，峰值电流Im＝7．5A，运行时间T＝0．3s。

图7可以看出光伏阵列的输出功率在大约0．04s稳定在最

大值124．7W，负载功率稳定在118．4W。在0．2s时改变外界参数，温度剧变到T＝40°C，S＝500kW／m2。

图7外界条件变化下的功率曲线

系统的PV曲线在起始阶段和外界因素剧烈变化阶段均存

在剧烈震荡，但通过MPPT控制系统的操作，在0．04s很快就追踪到了最大输出功率点，当外界因素变化时，PV曲线的过渡阶段十分光滑振幅不大，平滑过渡，消耗约0．02s追踪到了新的最大功率点。

4结束语

整个系统使用硬件电路操控，单片机控制，灵活性很高［11］。软件部分通过搭建Simulink模拟，结果表明，系统可以很快地追

踪到最大功率点实现最大功率输出，当外界条件变化时，过渡过程时间短，过渡曲线平滑，很快稳定在新的状态下，基于Boost电路的定步长导纳增量法可以较好地实现最大功率跟踪。

参考文献

［1］闫亮．改进的光伏发电系统最大功率点跟踪方法［J］．现代建筑电气，

2012，3（3）：33－37

［2］唐静．光伏发电系统及其最大功率跟踪控制策略的研究［D］．新乡：河

南师范大学，2012

［3］刘军，张成林．光伏发电系统最大功率点跟踪算法的研究［J］．青岛科

技大学学报（自然科学版），2012，33（1）：78－81

［4］蔡昕辰．基于恒定电压法和阻抗匹配法的MPPT算法的研究［D］．武

汉：湖北工业大学，2012

［5］胡茗哲，马学军．一种基于电导增量法的可变步长MPPT算法的研究

［J］．湖北理工学院学报，2013，29（4）：20－23

［6］李春玲，石季英，武艳辉，等．模糊控制的扰动观察法在光伏MPPT中

的应用［J］．电气传动，2013，43（2）：61－64

［7］李岚，佟轶．光伏发电中光伏电池变步长导纳增量法最大功率追踪

［J］．电气技术，2012（6）：37－40

［8］孙航，杜海江，季迎旭，等．光伏分布式MPPT机理分析与仿真研究

［J］．电力系统保护与控制，2015，43（2）：48－54

［9］张翔，王时胜，余运俊，等．基于电导增量法MPPPT仿真研究［J］．科

技广场，2013（7）：60－64

［10］邢珊珊，田素立，王振华，等，等．光伏MPPT系统电压控制器的优化

设计［J］．电力系统保护与控制，2016，44（12）：114－118

［11］曹晓璐，廖涛，单龙飞，等．基于Boost电路的光伏电池最大功率点

跟踪方法仿真分析［J］．河南电力，2016（6）：10－13

［收稿日期：2019．1．2］