基于Labview的模拟光伏MPPT研究

方波 陈政辑 唐健竣 段伟杰

摘  要：根据光伏电池的物理数学模型，以及基于Boost变换器稳态工作原理推导出来的光伏占空比扰动控制机理和扰动观察法控制流程，采用电压源串联电阻替代光伏电池板，并采用STC15W4K32S4单片机作为主控单元通过编程实现模拟光伏MPPT爬山法控制策略，采用Labview对模拟光伏的电压、电流的采样，通过Labview图形编程实现对模拟光伏系统工作状态和MPPT控制策略实施效果的实时直观呈现。实验结果表明，利用Labview强大的数据采集、处理、图形功能能够方便地把复杂系统状态和控制策略的实施效果实时直观地呈现出来，为光伏等系统的研究开发提供方便，对光伏控制器的研究设计具有实际意义。

关键词：最大功率点跟踪；占空比扰动；扰动观察法；模拟光伏；Labview

中图分类号：TM615 文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0053-04

Abstract： According to the physical and mathematical model of photovoltaic cell， the photovoltaic duty cycle perturbation control mechanism and control flow of perturbation observation method derived from the steady-state working principle of Boost converter， the photovoltaic panel is replaced by voltage source series resistance， and the STC15W4K32S4 single chip microcomputer is used as the main control unit to simulate photovoltaic MPPT mountain climbing control strategy by programming， and Labview is used to sample the voltage and current of simulated photovoltaic. The real-time visual presentation of the working state of the simulated photovoltaic system and the implementation effect of the MPPT control strategy is realized by Labview graphic programming. The experimental results show that using the powerful data acquisition， processing and graphics functions of Labview， it is convenient to present the implementation effect of complex system state and control strategy in real time and intuitively， which provides convenience for the research and development of photovoltaic systems， and has practical significance for the research and design of photovoltaic controller.

Keywords： maximum power point tracking （MPPT）; duty cycle perturbation; perturbation observation method; simulated photovoltaic; Labview

在光伏發电系统中，普遍采用最大功率点跟踪（MPPT）控制来提高系统的光电转换效率。MPPT控制策略有恒定电压、扰动观察、电导增量、模糊逻辑和神经网络等处理方法及不同控制策略的结合[1-3]。MPPT本质上是一个自动寻优的过程，通过光伏电路变换器的工作状态的自动调节，从而改变光伏电池板的工作点，使光伏电池可以在任何负载扰动及温度和太阳光辐射照度变化情况下的输出功率总是趋近于光伏电池输出的最大功率。由于这个寻优过程是一个动态过程，而且光伏电池IV和PV特性的自变量均为光伏电池的电压，因此，普通的示波器等常规仪器是无法将最大功率点跟踪的过程直观呈现出来的，也就无法直观地将各种MPPT控制算法的跟踪效果实时地动态呈现出来。Labview是一种图形化编程语言的开发环境，操作简便、功能强大，配合相应的硬件能够进行实时数据采集和输出控制，并提供了直观的用户编程界面及用于显示仿真结果的前面板，利用其可以方便地建立所需要的虚拟仪器[4]。本文基于 Labview 软件技术，利用其强大的数据采集和虚拟仪器功能，对光伏发电系统的MPPT控制进行研究，将最大功率点跟踪的动态过程直观呈现出来，为光伏发电MPPT控制算法的研究提供了方便。

1  光伏电池、光伏组件、光伏阵列的物理结构与数学模型

1.1  硅光伏电池

常用的硅光伏电池单元的等效电路如图1所示。

图1中，Iph为光生电流，Iph值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度；ID为暗电流；Rs为串联电阻；Rsh为旁路电阻。

根据图1列出各变量方程式如下[5-6]

1.2  光伏组件

光伏组件是由若干互相联接的太阳电池组成，这些太阳电池被封装成单一的、长期耐久的、稳定的单元。封装的目的是在苛刻环境中保护它们和其互联线，防止太阳电池的机械损伤和防止水或者水蒸汽对电极的腐蚀。大多数晶体硅太阳电池组件是由透明的顶表面、胶质密封材料、光伏电池片、背面层和外部框架组成，如图2所示。在大多数组件中，顶表面是钢化低铁玻璃，胶质密封材料是EVA，背面层是Tedlar。

为了达到相当的输出功率和电压，晶体硅PV组件是由若干个独立的太阳电池串联组成的，PV组件的电压通常被选择适合于12 V的蓄电池。在25 ℃，AM1.5条件下，一个硅太阳电池单体的电压约为0.6 V。考虑到在温度升高影响和蓄电池充电时要求达到15 V或者更高的充电电压，大多数组件包含有36片串联的太阳电池，如图3所示。在标准实验条件下，这样的组件开路电压大约21 V，并且在工作温度最大工作点的工作电压大约是16～18 V。

1.3  光伏阵列

大型光伏阵列通常由若干光伏电池组件连接而成，设光伏阵列由NSZ个光伏组件（每个组件由NSC个电池单元串联）串联后再进行NP支路并联构成，并忽略光伏电池的分布效应、光伏照射不均匀产生的温度梯度、阴影遮挡部分电池引起的输入太阳能减少及内部损耗增大和部分电池被遮挡后串联电池在恒流条件下较低电压对输出电压的限制，则光伏阵列的输出将满足

U=NSZNSCU0 ，              （2）

I=NP I0 ，                 （3）

P=NSZNSCNPP0 。                （4）

则光伏阵列的输出电压U，I，P可建立如下隐函数关系

根据光伏电池的具体型号、光伏阵列串并联个数、光照和温度环境参量，代入温度系数等参数，由式（5）即可描述任何光伏阵列的I-U和P-U特性[7]。

2  光伏发电系统及其Labview监测系统结构

光伏发电DC/DC变换器电路如图4所示，DC/DC变换器采用Boost电路。

3  基于扰动观察法的光伏MPPT控制

本文采用固定步长的扰动观察法进行MPPT控制，对于给定的Boost变换器，其P-U、D-U曲线如图5所示[7]。

在图5中，设由k-1到k时刻，测得光伏工作点由A运行到B点，即ΔP=Pk-Pk-1>0，ΔU=Uk-Uk-1>0，说明当前工作点位于最大功率点左侧，工作点应向右侧移动。由D-U曲线可知，工作点应右移（由A′运行到B′），即需要减小占空比D。同理，可分析其他3种情况，由此导出基于占空比扰动的扰动观察法的控制流程如图6所示。

4  模拟光伏特性的设计

为了简单方便地对MPPT控制算法效果和动态过程进行直观呈现，可采用模拟光伏特性进行实验，即采用线性直流电源替代光伏电池进行近似特性模拟。线性电源结构如图7所示。则其端口上的电压与电流之间的伏安特性为

功率特性为

伏安特性和功率特性曲线分别如图8所示。

5  光伏MPPT控制的实现

本文采用STC15W4K32S4单片机作为主控单元，通过编程实现光伏爬山法MPPT控制算法。

由图4可知，本设计采用霍尔电压传感器和霍尔电流传感器对光伏电池输出电压和电流进行检测，经采样电路进行调理后送入MCU进行A/D转换。根据图6所示的流程编写MCU爬山法MPPT算法程序，MCU进行MPPT运行时产生PWM输出，通过隔离驱动后控制Boost电路的开关管，从而实现光伏电池的最大功率跟踪控制。主要硬件连接和MCU接口如图9所示。

6  模拟光伏系统的Labview虚拟仪器监测系统设计与实现

模拟光伏电源通过传感器将采样的输出电压和电流信号与Labview数据采集卡进行物理连接，根据模拟光伏电源的参数，编写光伏監测程序[4]。

首先，采用Labview DAQ Assistant 对模拟光伏电压和电流进行通道设置，然后编程对数据采集卡所采集电压和电流数据进行处理。同时设置模拟光伏电源的电压电流特性曲线，根据实际采样电路对电压和电流的采样系数，设置特性曲线的斜率参数和截距参数分别为-0.715和3.5。应用Labview的XY图曲线绘制功能和捆绑函数功能，将模拟光伏电源的电流-电压特性、功率-电压特性的理论曲线和实时工作点在显示器上直观呈现出来，以此来观测光伏发电MPPT的动态跟踪效果。实验测试结果显示，工作点无论处于峰值点左边还是右边，在MPPT控制算法的作用下最终都自动调整到峰值点处运行。

7  结论

以光伏电池的物理数学模型和光伏系统Boost变换器占空比扰动控制机理为基础，采用STC15W系列单片机作为主控单元设计了模拟光伏发电系统最大功率跟踪控制实验电路，利用Labview强大的数据采集处理能力和虚拟仪器功能设计了光伏发电MPPT跟踪控制的监控系统。实验结果表明，采用Labview平台能够方便地把复杂系统状态和控制策略的实施效果实时直观地呈现出来，为光伏等系统的研究开发提供了方便，对光伏控制器的研究设计具有实际意义。

参考文献：

[1] 石瑛琪，王斌，朱成成.光伏并网发电系统MPPT技术的研究[J].电工技术，2023（10）：84-87.

[2] 赵斌，袁清，王力，等.基于改进蚁狮算法的光伏多峰值MPPT控制[J].太阳能学报，2021，42（9）：132-139.

[3] 王仁明，胡梦帆，张赟宁.基于滑模控制方法的光伏系统MPPT策略[J].电源技术，2021，45（4）：478-481.

[4] 林静，林振宇，郑福仁.Labview虚拟仪器程序设计从入门到精通[M].北京：人民邮电出版社，2010：7.

[5] 李禹生，李伟令，李晓辉，等.基于PSCAD的太阳能电池模型与MPPT算法的仿真与实现[J].电气应用，2019，38（10）：17-21.

[6] 王章权，张超，何湘宁.基于Pspice模拟行为模型的光伏阵列建模[J].计算机仿真，2007，24（8）：225-228.

[7] 方波，罗书克，康龙云.光伏占空比扰动控制MPPT及其仿真研究[J].可再生能源，2013，31（10）：5-9.