基于Boost电路的光伏电池最大功率点跟踪仿真研究

摘要：太阳能的合理利用对社会发展与日常生活具有重大意义。为了更高效地利用太阳能，深入研究光伏系统中的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术至关重要。通过对光伏电池数学模型的分析，并结合先进的Matlab/Simulink仿真工具，可以更精准地模拟和优化光伏系统的工作状态。采用升压电路（Boost）与扰动观察法相结合的策略能够有效跟踪光伏电池的最大功率点，提升太阳能利用效率。

关键词：最大功率点 光伏系统 Boost电路 光伏发电

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

随着传统能源的无限制开采和使用，如煤、石油、天然气等，人类的发展面临着能源枯竭的问题，开发新的能源迫在眉睫。太阳能乃大自然赋予人类的宝贵馈赠，如何充分利用好太阳能一直是关注的焦点。

目前，太阳能电池转换效率不高，不能很好地将太阳能转换为所需要的能量，主要受到负载、空气温度、辐照、控制算法等因素的影响。光伏电池转换效率的提高，对整个发电系统都有着重要意义[1]。

本文基于提高光伏电池的利用率，分析光伏电池模型，全面考量哪些要素对光伏电池的转换效率产生主要影响，从电路的选择及控制算法的对比选择最优的解决方案，通过对比分析，搭建整个系统模型，包括升压电路、扰动观察法，在最大功率点（Maximum Power Point，MPP）附近电池工作，能够有效地解决电池转换效率不高的问题。

1 太阳能电池的等效模型与仿真

分析太阳能电池的数学模型，充分考虑主要的影响因素，给太阳能电池提供温度为25 ℃，光照强度为1 000 W/M2的外界环境条件。为了搭建模型，给负载取最小、最大值来获取一些参数。当负载R1=0时，表示光伏组件输出端短路，此时，短路电流为Isc。

当负载R1趋近于无穷大时，表明光伏组件的输出端处于开路状态。此时，太阳能电池产生的输出电压，即为开路电压Uoc。需特别强调的是，太阳能电池的开路电压Uoc并非一成不变，它会受到光照强度和环境温度的显著影响[2]。

不考虑其他因素的太阳能电池可以认为串联电阻Rs无限接近于零，而并联电阻Rsh此时的值可以认为是无穷大，计算时可不计。这时可以得到通过后端的电流IL。此时，太阳能电池的U-I关系曲线可以绘制出。

2" MPPT的方法研究

2.1 基于电导增量法MPPT的研究

电导增量法的核心机制在于，光伏电池组件达到最大功率点时，其电压的导数会趋近于一个稳定值，并且此时电压与功率之间的导数值则降为0。这一独特性质为算法设计提供了新颖的思路：利用功率微分与电压微分之间的特定关系来判断系统是否已处于功率最优状态。具体而言，在最大功率点，功率相较于电压的微分值会降为0；而在除起始时刻外的任何其他时间点，这一微分结果都会维持为一个不变的常数。光伏电池的整个P-U图可以分为A（不稳定工作区）、M（理想工作区）、B（稳定工作区）3个部分，每个部分代表不同的工作区域[3]。

电导增量法的缺点是步长的过大或过小都会导致系统的不稳定性加剧[4]。

2.2" 基于改进扰动观察法MPPT的研究

扰动观察法，亦称爬山法，其核心原理是对光伏组件的输出电压施加一个微小的扰动，并紧接着计算光伏阵列的输出功率。具体实践是，在施加扰动之前和之后，分别计算功率值，并计算二者的差异。若扰动后的输出功率相较于扰动前呈现增长，依据光伏电池的P-U特性曲线，这预示着光伏组件的输出功率尚有提升空间，故下一次的扰动应保持相同方向，继续作用于光伏阵列的输出电压。反之，若扰动后的输出功率出现下降，这显示此次扰动对光伏阵列的输出功率产生了不利影响，应当调整策略，下一次施加与当前输出电压方向相反的扰动[5]。

根据扰动观察法的控制流程，施加一个方向的扰动和原来的对比，直到最大功率点。

3" 基于boost电路的MPPT模型搭与仿真

最大功率点的电压值在20～50 V范围内，主要的影响因素是环境温度，采用控制变量法，当环境温度和太阳光照保持不变情况下，会有最大功率点的电压值。分析太阳能电池模型，考虑整个系统实际工作情况，Buck降压直流变换器不匹配最大功率跟踪点，最终采用Boost直流变换器。由Boost的伏秒平衡，可得：

根据能量守恒，可得：

（Imid为CCM Boost电感的电流中心值）

当输出最小负载Io min，即△I=2Imid，也就是Boost处于临界状态，可得：

采用扰动观察法，根据上述公式计算参数值，模型中主要参数的取值：当负载选用20Ω电阻时，电感L与电容C分别选择为590μH和400μF，Boost-MPPT升压电路最大功率跟踪点仿真模型如下图所示。

用于仿真的光伏电池板模型在光照1 000 s/m2、温度在25 ℃下的I－U（在光照和温度一定的条件下电流和电压的关系）曲线、P－U（在光照和温度一定的条件下功率和电压的关系）曲线分别如图2、图3所示。

图2表示了电压、电流的曲线，图3表示了功率与电压的曲线，从波形图可以看出当电压在22 V左右，有个最大功率点。图4为boost电路的MPPT模型输出的电压与功率波形。

从图5可知，在Boost电路的MPPT模型中，光伏电池功率最大的点就是Boost变换器输出的电压值，输出功率也接近光伏最大功率点。

本文分析了光伏电池的数学模型，选择Boost电路，采用扰动观察法，在Matlab／Simulink中搭建仿真模型，在整个系统的直流变换前端，考虑各个方面的影响因素，在Boost电路中使用扰动观察法，可以完成跟踪最大功率点的要求。

参考文献

[1]邱璇.适应高渗透率光伏接入的电池储能协同控制技术研究[D].南京：南京邮电大学，2023..

[2]李士垚.两级式光伏发电系统的设计与仿真研究[D].徐州：中国矿业大学，2023..

[3]王战.基于量子粒子群算法的光伏发电系统MPPT控制方法研究[D].广州：广东技术师范大学，2023.

[4]李艳.直流母线式光伏发电系统的最大功率跟踪控制策略研究[D].恩施：湖北民族大学，2023.

[5]孙明月.光伏发电系统最大功率追踪及并网控制的研究[D].包头：内蒙古科技大学，2020.