太阳能电池接Boost电路MPPT控制仿真分析
任立平，施玉祥，朱祁，胡云
（国网电力科学研究院，江苏 南京 210003）
摘要：针对RTDS/RSCAD中提供的太阳能阵列模型，测试其I-V及P-V特性，并外接Boost变换电路进
行实时仿真。采用恒定电压跟踪法，对太阳能阵列输出的实时电压值与给定值的偏差信号进行PI调节，来控制升压斩波(Boost Chopper)变换电路的占空比D，进而实现太阳能阵列外接电路的等效电阻值的自动寻优。当电阻值达到太阳能阵列工作于最大功率点(Maximum Power Point，MPP)处外接等效电阻Req值时，即实现了太阳能电池阵列最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制，从而大大提高了太阳能利用效率。
关键词：太阳能阵列、RTDS、MPPT、Boost变换电路
中图分类号：TM 文献标志码： 文章编号：
在我国“十二五”规划中，利用太阳能发电是建设坚强智能电网的重要组成部分。太阳能作为一种最好的可再生能源，必将迎来发展的契机。
目前太阳能电池MPPT控制算法有很多种，最常用的有：恒定电压跟踪法、扰动观察法和增量电导法三种[1-2]。
本文采用恒定电压跟踪法来实现太阳能电池的MPPT，实现太阳能电池的始终工作在最大功率点附近。 1 太阳能电池模型
RSCAD软件中太阳能电池模型如下图1所示。它是一种基于肖特基二极管的精确太阳能电池组件，该模型以暂态辐射(INSOLATION)与外界温度(TEMPERATURE)作为输入变量，它是由一系列的太阳能电池(cell)构成的组件(module) 经串并联后组成的阵列(array),可以方便地设置各个串并联module数来实现阵列输出的电压、电流。
图1 RSCAD中太阳能电池模型
此模型中，基本参数如下:
Vocref——单个组件(module)开路电压值； Iscref——单个组件(module)的短路电流值； Vmpref——单个组件在MPP处的电压值； Impref——单个组件在MPP处的电流值。
假定在标准测试条件下(STC)，即暂态辐射强度为1000W/m2，外界温度为25℃。此模型中，Vocref=21.7V；Iscref=3.35A;
Vmpref=17.4V；Impref=3.05A；
2 最大功率点跟踪 (MPPT) 控制原理 根据实际需要，设计出合理的太阳能电池阵列，一般外接Boost变换电路，使其电
压升高，然后接逆变器使其并网运行。本文阐述太阳能电池阵列外接Boost变换电路使其电压升高，并控制太阳能电池阵列工作在最大功率点处，最大限度地提高了太阳能利用效率。
设任何时刻太阳能电池阵列端电压与端电流分别为UPV与IPV,但在MPPT控制过程中，UPV与IPV均在变化，即
RPV=UPV/IPV也在变化，从电路匹配角度
来看，就需要一个阻抗变换器。而实际Boost变换电路中，电阻R是定值，这就需要控制其他变量来调节外接电阻值，达到自动寻优的目的[3]。
太阳能电池阵列工作在最大功率点处时，设其端电压与端电流值分别为UPV与
IPV，则其输出的功率为：
PPV?UPV*IPV (1)
外接等效电阻为：
Req?UPV/IPV (2)
Boost变换电路中，假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当开关管处于通态时，电感L中的充电电流基本恒定，同时电容C向负载供电，保持输出电压Uo基本恒定，当开关管处于断态时，太阳能电池阵列与电感L共同向电容C充电，并向负载提供能量。一个周期内电感L储能与释能相等。定义开关管通态时间为ton，断态时间为toff，开关周期为T，开关频率为fs（fs=1/T）。设占空比
D?ton/T[4]
。则
UPV*I*ton?(Uo?UPV)*I*toff (3)
化简得
Uo?UPV/(1?D) (4)
理想情况下，各开关管损耗为零，负载电阻R消耗的功率为PL，则输出功率等于输入功率，即
PPV=PL (5)
UPV*IPV?Uo*Io (6)
所以
Io/IPV?UPV/Uo?1?D (7)
定义
RL?Uo/Io (8)
联立(2)、(7)、(8)三式得
Req/RL?UPV*Io/Uo*IPV (9)
即
Req?RL*(1?D)2 (10)
(10)式还可以化为：
Req?RL*(1?ton*fs)2 (11)
由式(11)可以看出，RL值不变的情况下，Req值与ton及fs有关，不难想象，保持其中一个变量值不变的情况下，调节另一个变量，就可以实现Req值的自动寻优。这为最大功率点控制器的设计提供了两种方式：一种是固定fs不变，调节ton；另一种方式是固定ton，调节fs。本文采用保持fs不变，调节ton，实现最大功率点跟踪控制。 需要注意的是：由于上述分析是在理想
情况下进行的，但实际仿真中，开关管及二极管等都存在功率损耗，式(10)不严格相等，仿真出来的D值比理想值偏小。上述分析只是找到了最大功率点跟踪过程中等效电阻
自寻优的控制变量。
要实现上述外接电阻值的自动寻优，就要设计出合理的MPPT控制电路。MPPT控制电路如下图2所示。
UpvMPPT控制器Vref锯齿波+—偏差PI脉冲调制信号比较器PWM
图2 太阳能阵列MPPT控制结构图
MPPT控制器的设计原理如下：给定直流电压参考值Vref(一般取为0.81*Uoc)，此值可以根据上述提供的最大功率点估算方法得出，误差一般可控制在3%以内[5]。然后与太阳能电池阵列即时电压进行比较，偏差值经过PI调节器处理，用于控制PWM的调制信号，进而控制Boost变换电路中开关管脉冲占空比D，使其工作在合适的状态，进而可以调节太阳能电池阵列的输出电压及电流，形成闭环控制，很快可以使输出电压稳定在估算出的最大功率点附近，达到了最大功率点跟踪控制的目的。
在本文中，锯齿波幅值为0.5，波形关于纵坐标y=0.5对称，这样就保证了ton=m。 根据PI调解原理及上述公式，不难得出：
???? R?R?1?f1L*s*Kp*?(UPV?Vref)?Vref)dt????Ti?T0(UPV??? (12) 因为RL、fs、Vref为定值，由式(12)可以看出，太阳能电池阵列外接端电阻值R是关于端电压UPV的函数，PI调节器使UPV趋于Vref，即R趋于Req，达到了最大功率点跟踪控制的目的。 4 仿真及结果
本文利用RSCAD仿真软件搭建仿真模型，模型中太阳能电池阵列单个module包含的电池数Nc=36，并联的module数
NP=5，
串联module数Ns=10。由NP及Ns并与上述提供的估算公式，可以估算出此太
阳能电池阵列最大功率点出的电压值
Vmpp=0.8*21.7*Ns=174V，此值作为PI调
节器的参考电压值Vref。仿真拓扑结构图如下图3所示。
PV arrayUpvIpvIoCRIpvLUpvCRUo
图3 RSCAD中搭建的PV-boost仿真模型 本仿真是在标准测试条件下进行的。
仿真步长为12us，Boost电路参数为： L=0.1H；C=10e3uF；R=100?。
PWM发生器载波信号为锯齿波，频率为3kHz。调制波信号由PI调节器控制，PI调节器参数分别为：
Kp=0.1；Ti=0.07。
在RTDS中进行仿真，启动仿真器时刻起，仿真波形如下图4、图5与图6所示，横轴代表时间t(单位：秒/s)。
0.221?103V
图4 太阳能电池阵列实时电压及参考电压波形
图5 太阳能电池阵列实时电流输出波形
3?103W
图6 太阳能电池输出功率波形
0.200?103等效电阻自寻优实现的，实际上是保持fs不变，调节ton来实现的；若保持ton不变的情
图7 太阳能电池端电压切换波形
V况下，理论上还可以通过控制锯齿波的频率
fs来实现最大功率点的跟踪控制。
参考文献：
[1] 张财志,刘永浩,贾俊波,等.基于LabVIEW太阳能电池最大功率点跟踪研究[J].电力电子技术,2009,43(12):68-70.
[2] 邵翠,丁宝,宋镇江,等.光伏系统最大功率点跟踪控制算法的研究[J].建筑电气,2010,(6):34-38. [3] 范晓聪,方建安.基于模糊PID控制的光伏并网发电系统设计[J].机电工程,2010,27(9):104-107. [4] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M]. 北京：机械工业出版社,2000.
[5] 任立平,董兴绿,于跃海,等.基于RTDS太阳能电池建模及最大功率点跟踪控制[J].江苏电机工程,2011,30(5):17-19.
____________________________ 作者简介：
任立平（1985-），男，湖南岳阳人，硕士研究生，研究方向为微网的稳定运行； Email:renlipingbing@163.com
施玉祥（1968-），男，浙江海盐人，研究员，主要从事技术管理工作；
朱祁(1986-)，男，山东潍坊人，硕士研究生，主要从事电能质量方面的研究；
胡 云（1983-），男，广西马山人，助理工程师，主要从事电力系统动模与数字仿真工作。
上图7表示太阳能电池从MPP初切换到另一个功率点处的仿真波形，动态响应速
率快，波形波动小。
由上图4可知，仿真开始，太阳能电池的输出电压经历一个下降过程，然后很快稳定在设定值Vref附近，达到了MPPT控制的目标。
从上图中还可以得出：UPV=0.174kV；
IPV=0.0153kA;PPV?UPV*IPV=2.66kW；
调制信号幅值显示为0.4998，即占空比D=0.4998，Uo=435.2V。
可以看出，此仿真成功实现了太阳能电池阵列在STC下最大功率点跟踪控制。 5 结论
可以看出，恒定电压跟踪法最大的优点是设计简单、跟踪速度快，功率跟踪准确。最大的缺点是由于电压参考值是通过估算得出的，难免会产生误差。在精度要求很高的场合，此方法还有待改进。
由于最大功率点的跟踪控制过程实际上是寻找外接电路等效电阻的最优值过程。本文中推算出的(11)式还可以看出，Req值与ton及fs有关。本文是通过控制D来实现
Solar Cell Connecting Boost Circuits MPPT Control
Simulation Analysis
REN Li-ping, ZHU Qi,YU Yue-hai,HU Yun
(State Grid Electric Power Research Institue,Nanjing 210003,China)
Abstract: As to the solar array model provided by the RTDS/RSCAD, it has tested the I-V and P-V
’
characteristics, and simulated in real-time connecting to external DC boost converter. Using a constant voltage tracking method, it takes the real-time output voltage of the solar array and a given value to compare and sends the error to the PI regulator to control the boost chopper converter duty cycle D, so as to realize the resistor value of the external equivalent circuit of solar array automatic optimization . When the resistor value reaches the equivalent resistance Req of solar array working at maximum power point (MPP) , Namely, it has achieved the purpose of maximum power point tracking (MPPT) control of the solar array, thus greatly improving the efficiency of solar energy utilization. Key word: Solar array、RTDS、MPPT、Boost converter
