基于simulink光伏电池最大功率点跟踪技术的仿真(4)

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的影响(横坐标为光伏电池输出电压U/V，纵坐标为光伏电池输出电流I/A)。

图2.5 光照强度不变，电池温度变动的伏安特性

分析：保持光照强度不变，电池温度有10到60度变化，则光伏电池开路电压不断地减小，而短路电流不断的增大，光伏电池最大功率点随电池温度的升高而有一定的下降，与文献[14]中图2.4对比，功率下降可能会达到2%。

（3）在光伏电池S=1000W/m2情况下，光伏电池表面温度变化对光伏电池最大功率点的影响（横坐标为光伏电池输出电压U/V，纵坐标为光伏电池输出功率P/W）。

图2.6 光照强度不变，电池温度变动的功率特性

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分析：保持光照强度不变，电池温度由10到60度变化，则最大功率点发生下降，最大降幅大约10瓦。

（4）在光伏电表面温度为T=25℃情况下，日照强度变化对光伏电池最大功率点的影响(横坐标为光伏电池输出电压U/V，纵坐标为光伏电池输出功率P/W)。

图2.7 电池温度不变，光照强度变动的功率特性

分析：保持电池温度恒定，光照强度由200到1000W/m2变化，则光光伏电池输出功率变化很大。

2.4本章小结

通过对以上对光伏电池工作原理介绍及特性的分析，影响光伏电池输出功率的因素——电池温度T和光照强度S，其中光照强度对光伏电池输出功率影响最大，而电池温度影响甚微。并且通过与文献[6]对比，该仿真模型PV输出特性与理论特性有一定的差距。但是这误差在实际工程误差范围内。因此该模型可以用于模拟实际光伏电池的工作情况。

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3光伏电池最大功率点跟踪技术的算法

3.1光伏电池最大功率跟踪（MPPT）概念和基本原理

最大功率点跟踪控制技术是光伏电池的推广得以应用的重要技术。当前光伏电池的转换效率很低，一般低于35%，并且成本高。而其输出功率主要受到光照强度、电池温度等因素的影响。因此，为了提高光伏电池系统的转换效率，在光伏电池系统中，通常要求光伏电池的输出功率始终保持最大。

由于光伏电池的输出功率受外部环境的影响，因此光伏电池系统普遍采用光伏电池最大功率跟踪（MPPT）控制方法提高对光伏电池的输出功率。假设光伏电池的表面温度保持不变，光伏电池的输出伏安特性曲线如图3.1所示：

图3.1 MPPT工作原理图 图3.2 光伏电池和负载等效电路图

图 3.1 中曲线Ⅰ、Ⅱ分别对应不同光照下光伏电池的 I- V 特性曲线，A、B分别为不同光照下光伏电池的最大输出功率点，其中有两条负载曲线即负载 1和负载 2 。当光伏电池工作在 A点时，光照强度突然上升，而负载保持不变，光伏电池的工作点转移到 A,点。从图 3.1 中可以看出，为了使光伏电池在特性曲线Ⅰ仍能输出最大功率，就要使光伏电池工作在特性曲线Ⅰ上的B 点，也就是说必须对光伏电池的外部电路进行控制使其负载曲线1变为负载曲线 2 实现与光伏电池的功率匹配，从而使光伏电池输出最大功率。

光伏电池和负载的等效电路图如图3.2所示，在微变时间dt内，非线性的光伏电池和负载可以近似用线性电路等效。图中Vi 为光伏电池在时间dt内输出电压，I为光伏电池在时间dt内输出电流，Ri为光伏电池在时间dt内的内阻，R0 为负载，则光伏电池在时间dt内的输出功率为：

P?(Vi)2R0 (3-1)

Ri?R012

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Ri?R0dP2?Vi将式（3-1）对R0 求导可得： (3-2) dR0(Ri?R0)2V当Ri=R0时，P?i有最大值。对于线性电路，当电源内阻和负载电阻相等时，电源

4Ri2可以输出最大功率。因此最大功率点跟踪控制法的基本原理是控制负载阻抗与光伏电池的瞬时内阻相等，即可使光伏电池工作在最大功率点。

3.2 BOOST电路设计

BOOST电路既有升压作用，通过电感和电容的储能性能及可控开关可以把直流电压电源提高数倍。由于该特性可以用于作为光伏电池的升压变换电路，用来提高光伏电池的输出电压，以提高负载能力。

3.2.1 BOOST电路模型建立

BOOST电路工作原理：假设电路中电感L和电容C2足够大。当IGBT处于导通状态时，光伏电池PV向电感充电，充电电流基本恒定为IL,同时电容C2向负载R供电，因C2值足够大，基本保持输出电压为Uout。设IGBT导通时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为UinILton。当IGBT断开时，光伏电池PV和电感L共同向电容C2充电，并向负载R提供功率。若IGBT断开时间为toff，则这时间断电感L释放的能量为(Uout?Uin)ILtoff。当电路达到稳定状态时，一个周期T中电感L积累的能量与放出的能量相等即

UinILton=(Uout?Uin)ILtoff （3-3）

化简为Uout?TUin （3-4） toff占空比 D?ton （3-5） T由（3-4）和（3-5）联立可得Uout?1 Uin （3-6）

1?D13

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图3.3 BOOST电路图

3.2.2参数设置

3.2.2.1控制开关的选择

GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于其具有电导调制效应也即基区宽度调制

效应③，所以其电流吐纳能力很强，但开关速度较慢，不利于高速变化的开关动作并且所需驱动功耗大又电路复杂[7]。电力MOSFET是单级型电压驱动器件，其开关速度非常快，输入导纳低，对温度不敏感，所需驱动功耗小而且电路简单。但是绝缘栅双极晶体管（IGBT）综合了GTR和MOSFET两者的特性。 IGBT的特性和参数特点总结如下： （1） IGBT开关速度快，开关功耗小。

（2） IGBT的通态压降比电力MOSFET低，这是IGBT功耗低的原因之一。 （3） IGBT的输入导纳低，其输入特性与电力MOSFET相似。

（4） IGBT与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和导流能力可以进一步提高，同时

其高开关频率保持不变。

综上所述最终选择IGBT作为Boost电路开关器件，开关频率为1kHZ。

3.2.2.2电感L值和电容C1值设定

BOOST电路中直流电感的设计指标为纹波电流不能超过要求值，这里以电感额定电流的20%作为纹波电流的上限，电感的设计目标是使纹波电流不超过该上限[8][9]。

在开关管IGBT的控制下，可以使BOOST电路工作在不断流模式下，在不断流模式下可得如下公式：

③

当集电结反向电压增大时，集电结的空间电荷区加宽，这就引起基区有效宽度变窄。因而载流子在基区复合的机会减小，所以基极电流Ib随集电极反偏电压增大而减小，也就是基区有效电导减小。

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