Simscape系统模块光伏电池的功率仿真

孙丽娜

摘要

国内外对最大功率点跟踪的仿真已经有不少文献，但是很多都针对固定电压或者固定功率进行追踪，并不能说明在功率流的情况下追踪的效果，本文借助Matlab软件的Simscape系统模块建立光伏电池的功率级的仿真模型，实现了最接近物理模型的最大功率点跟踪的仿真。

【关键词】最大功率点跟踪 仿真 扰动观察

光伏电池是一种输出特性随外界环境变化不断变化的电源，要充分利用光伏电池的能量，提高光伏电池系统的供电效率可以对光伏电池的输出电流和电压进行跟踪，以实现最大功率即最大功率点跟踪。本文借助Matlab软件的Simscape系统模块建立光伏电池的功率级的仿真模型，实现了最接近物理模型的最大功率点跟踪的仿真。

1 基于Simscape的光伏电池MPPT的仿真

在Simscape中搭建不带MPPT控制的光伏电池模型。测量负载的电流与电压，并得出负载的实时功率图线，IGBT通过PWM模块生成的脉宽调制的信号进行开关动作，PWM_

Uref给PWM模块参考信号。

PWM模块为电压控制型，可用表达式：

进行求出合适的脉宽，这里设置Umax为10V，Umin为0V，而Uref是外加参考电压，可用MPPT算法进行控制。设置L=156.25uH，C=100uF，负载为25Ω，PWM的频率为20kHz，通过控制PWM模块的参考电压进而控制负载获得的功率。如图1所示为设置PWM_Uref分别为1V、5V、7V，即占空比D=10%、50%、70%的负载功率情况。

可以发现，不同占空比对负载获得功率的影响，D=10%时，负载获得的功率在85W左右，D=50%时，负载获得的功率在l05W左右，而D=70%时，负载获得的功率在55W左右。50%的占空比比10%和70%的占空比负载获得的功率要大，因此负载要获得最大功率时，必须要加上一个占空比合适的PWM波形。

2 加上MPPT控制占空比算法的仿真平台

加上MPPT控制占空比的仿真平台如图2所示，用Simscape搭建，加上MPPT控制模块。其中V2电压表测量MPPT模块生成的PWM参考电压。

MPPT子模块利用测得的电压电流和MPPT算法，得出合适的电压信号，提供给可控电压源，进而输入MPPT模块控制占空比。在生成PWM参考电压时，加入了Transport Delay延时模块，延时0.00ls，以防止短时间内占空比无法取得适当的参考值，导致占空比过大。MPPT_Solve模块用Matlab中的S-Function模块编制S函数。

3 扰动观察法仿真

S函数的固定步长扰动观察的MPPT算法，其中包含了一个离散状态，两个输入口，一个输出口，采样时间采用系统默认时间，步长占空比为0.2%，其余参数设置L=156.25uH，C=lOOuF，负载为25Ω，PWM的频率为20kHz。

程序运行仿真平台可得图3曲线，（a）图为固定步长的扰动观察法曲线，（b）图为全步长的扰动观察法，（c）图为采用变步长算法光照强度变化时的最大功率点跟踪曲线。可以发现，负载功率在PWM参考电压的控制下在功率最大值附近震蕩，这时把固定步长的S函数改成变步长扰动观察的MPPT程序，其中包含了一个离散状态，两个输入口，一个输出口，采样时间采用系统默认时间，步长占空比可调，其余参数设置L=156.25uH，C=100uF，负载为25Ω，PWM的频率为20kHZ。

采用变步长后，负载的功率曲线相比于固定步长的功率曲线稳定，能够稳定在最大功率点附近。

在变步长的扰动观察法的基础上，在仿真模型的0.01s时刻，光照强度从1000W/m2变化到500W/m2，而此时变步长最大功率追踪仍然进行着，可以看出依然可以维持最大功率点的追踪。

本文在Simscape下搭建带有MPPT控制功能的仿真模块，控制PWM模块的占空比，从而达到控制输出电压，借以调整输出功率以期达到最大功率。以往的仿真都建立在简单的单电压或单功率的追踪的电路上，并没有真正的用功率流的形式进行闭环电路的仿真，而利用Simscape仿真模块实现了这一点，通过仿真证明了该方法的正确性。

参考文献

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