1、摘要：本文章著重介紹了如何用實現MPPT（最大功率點跟蹤），Boost 電路詳細的工作原理，其中涉及到multisim 的主電路仿真和 matlab 建模的具體實施的過程，對參數的選擇和系統的優化做了詳細的描述， 在實際測試中更加驗證了方案的合理性及實用性。 關鍵詞：MPPT Boost 電路 multisim 仿真 matlab數據處理前言：隨著能源的消耗，可再生能源的發展被放到了越來越重要的位置，在可再生能源資源中，太陽能由于其普遍性，豐富性和可持續性，成為了最基本的、必備的可持續資源，太陽能電池是一種有效的利用太陽光來 發電的裝置。太陽能電池的工作電壓隨著溫度升高而下降，而蓄電池的充放電

2、電壓隨充電電流升高而增加，在太陽 電池組件中為 保證夏天高溫天氣能對蓄電池正常充電，組件的標準峰值工作電壓一般比較大，從而使太陽電池通常有較大一段區間沒有真正工作在最大功率點， 造成太陽電池以及蓄電池配置容量增加， 增大了光 伏系統的成本。這里我們引入一個概念MPPT （最大功率點跟蹤）， 在一般的光伏系統中 都沒有沒置 MPPT電路，而由太陽能電池直接給蓄電池充電，把MPFF 控制技術運用在溫差變化較大的場合，特別是對于冬、夏以及全日溫差較大的地區有明顯的技術意義，MPPT 艮蹤能有效提高太陽電池的輸出。最大功率跟蹤（MPPT 是一個電路動態負載匹配的過程，一般都是在太陽能電池與負載之間接一

3、個DC/DC變換電路，當外界條件變化引起最大功率點發生變動時，調節與負載電阻并聯的mos 管的占空比使得外部的等效電阻始終等于太陽能電池的內阻，實現動態的負載匹配，繼而得到了太陽能電池的最大功率輸出。 太陽能電池系統的機械結構：圖 1 太陽能電池系統由上圖可以看到整個太陽能電池系統，它由PV 板，固定支架，監控云臺，控制裝置所組成。監控云臺作為調節太陽能電池板角度的儀器，此云臺可以雙軸轉動。圖中，上方是太陽能電池板，中間是監控云臺,最下面的是手動調節角度的裝置。圖 2 固定支架太陽能電池板與監控云臺是通過鋁合金支架連接起來的，監控云臺上端有6 個螺母孔，在太陽能光板的背面的支架上相應的打上 6

4、 個孔，通過螺母是兩者連接起來，連接圖如圖 2 所示。 電氣系統：整個機械和電氣子系統被集成到了太陽跟蹤系統中，如圖 3 所示，太陽跟蹤系統的框圖包括了大部分 的電器組件。光伏電池是一種幫助把太陽能轉化為電能的設備。選擇的太陽能電池板能夠產生50 W 功率根據供應商規范，它的重量約 4.5 千克，尺寸為 630mmIo LCl_Co_-+在大多數 Boost 電路中，都會采用 PW 蜓制方式來調節開關管的占空比，來滿足功率最大化的需要。 在這里我們采用單片機作為主控單元，PW 帽號由單片機的定時器中斷產生。開關元件選用 IRF540N,它是一種 N 溝道的 Mosfet 管，開啟電壓在 2V

5、到 4V 之間。但是實際中為了使開關元件充分導通，一般給柵極的電壓要在 10V-15V，而單片機端口的輸出一般都是3.3V 或者 5V,驅動能力也不足 ，因此必須選擇一個合適的驅動電路來驅動 Mosfet管。IR2110 是一款集成驅動芯片，價格低廉驅動能力很好，而且電路比較簡單，驅動電路如圖3 所示，實際應用中我們用它的低端驅動。IR2110 采用 CMOW 藝制作，邏輯電源電壓范圍為5-20 V，適應 TTL 或CMO 邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，允許邏輯電路參考地 （Vss）與功率電路參考地（COM 之間有-5+5 V

6、 的偏移量，并能屏蔽小于 50 ns 的脈沖。采用 CMO 豌密特觸發輸入，以提高電路的抗干擾能力。IR2110 由邏輯輸入、電平平移及輸出保護組成。邏輯輸入電路與TTL/ CMOife 平兼容；邏輯電源地（Vss）和功率地（COM 屯間允許有土 5 V 的偏移量；工作頻率高，可達 500 kHz;開通、關斷延遲小，分別為 120 ns 和 94 ns：輸出峰值電流可達 2 A, 上橋臂通道可承受 500 V 的電壓。自舉懸浮驅動電源可同時驅動同一橋臂的上、下兩個開關器件，大大簡 化了驅動電源設計。D2RL a-R2$OUT圖 2 IR2110 驅動電路Boost 電路參數計算與選擇：升壓電感

7、的選擇：本系統中，光伏陣列最大功率點在17.2V 左右，假設輸出電壓如果為 60v 此時占空比 D:臨界電感值為:IR211016J= 063UD1652X0.63也x/ 01x25x50 x1c1光伏電池板輸出端電壓;= 01372- 變換器輸出端電壓;根據計算結果，實際選用電感值為200 卬Ho輸出電容的選擇：根據變換器性能指標參數的要求， 輸出電壓紋波應小于G=金？ = -/ 0.1% 16_5250 101實際中我們的電容取值為 4700UF。二極管的選擇：對于二極管的選擇，同樣需要考慮電壓應力、 電流應力以及反向恢復時間。 在此 Boost 電路中升壓二極管 的的電壓應力為輸出電壓

8、Vo的值，升壓二極管的額定電壓應該大于60V,而電流應力為光伏電池板的輸出電流 Ii ,其最大值為短路電流 1.95A ,故二極管額定電流大于 5A 即可。同時應盡量選擇具有快恢復特 性的二極管，綜合上述因素，最終選擇肖特基二極管 SR10150,其電壓額定值為 150V，電流額定值為 10A。輸入端并聯電容的改進實現光伏電池的最大功率跟蹤，需要不斷檢測電池的輸出電壓與輸出電流，經 A / D 轉換送入單片機，單片機根據所采用的控制算法進行一系列判斷處理后發出相應的PWM 控制信號。因為光照強度的變化，導致太陽能板的輸出不是恒定的，需在變換電路輸入側并接電容，才能保證開關斷開時太陽能電池的輸出

9、連續， 從而降低系統的損耗。 本文中發現 MOS 管處于導通和關斷兩種不同狀態時，檢測點處的電壓會產生很大波動，這意味著同一穩定狀態的不同采樣時刻得到的數據將會有很大差異，它將直接影響檢測數值的可靠性，從而降低控制性能。為此，在 Boost 電路的輸入側并聯一個小電容。它能夠在 Boost 電 路開關期間維持 PV 兩端的電壓， 實質上降低了 PV 輸出電壓和電流的波動。如果對采樣的數據再進行數 值濾波， 可以得到更精確的電壓電流采樣值。此外，這種并聯電容改進方法還能起到減小Boost 電感值的作用。 輸入電容的選擇通過電容 C1 的電流4為光伏電池板電流L減去電感電流1, 41對電容產生的紋

10、波電壓為 ？Vin , 有：A17f= - = O_5%a)則：據此得輸入電容取 22uF。 輔助電源設計：在單片機供電，驅動電路，保護電路中需要用到+15v ,+5 兩種電源，為了保證各部分電路能夠正常工作，需要進行輔助電源的設計，輔助電源是這樣來的，先引入220V 市電通過變壓器轉換成 18V 的交流電，再經過整流橋和濾波電容進行三級的整流濾波，三個電容值分別為4700UF , 10uF , 0.1uF ,濾波之0.5%Vo,因此有:25河_63后得到的直流電壓經過 LM7815 穩壓芯片之后，在其輸出端即可獲得精度高、穩定性好的+15v 電源，再經過穩壓芯片 LM7805 和一級 0.1

11、uF 的電容穩壓濾波，得到 +5v 的穩壓電源。輔助電路設計： 電壓采樣電路：電壓采樣電路結構較為簡單，即在輸出對地并聯兩個精確電阻，阻值比為 5:1 大小為 10KQ 以上，假 若輸出電壓為 16v 則從小電阻上的分壓為 3.2v ,直接輸入單片機進行處理得到輸出電壓。 電流采樣電路：電流采樣電路直接用集芯片 ACS712 來采電流，芯片原理：該芯完全基于霍爾感應的原理設計，由一 個精確的低偏移線性霍爾傳感器電路與位于接近表面的銅箔組成，電流流過銅箔時，產生一個磁場，霍爾元件根據磁場感應出一個線性的電壓信號，經過內部的放大、濾波、斬波與修正電路，輸出一個電壓信號， 該信號從芯片的第七腳輸出，

12、直接反應出流經銅箔電流的大小，輸入與輸出在量程范圍內為良好的線性關系。采樣電路如圖 3 所示：圖 3 電流采樣電路仿真結果及分析圖 5 是對 Boost 電路所進行的 multisim 仿真，仿真模型如下所示:dHOOEVIRTUALPULSETQ V 20 V20usec 50usa4 7mFXSC1,L1200UH圖5 Boost電路仿真分析圖 7 為此時的占空比，可見，此時占空比為62.16圖7占空比的波形在仿真模型中，為了聯系實際中的光照，以一個 19V 到 20V 占空比為 1:1 的脈沖信號作為光伏電池的輸出，即輸入電壓 Ui,二極管用肖特基二極管，MOS 管用 IRF540N,

13、PWM 信號以脈沖源代替，驅動電路參數和器件型號均與圖 3 相同，L = 0.2mH , C =4700uF , R = 100 Q, f =50 kHz 。給定不同的導通占 空比，得到表 1 所示數據UiUoIo時間6.300 ms曲道A通道B15.000 V圖 6 為它的輸入輸出波形的關系:圖 6輸入輸出波形由上表可以看出，輸入輸出滿足關系式（3）,等效輸入電阻的實際值與理論值雖然有一定的差距,但其變化規律和趨勢卻是與理論分析是相吻合的。出現這種差距的原因主要是理論值是在功率絕對平衡的理想狀態（即轉換效率 100% 下得到的，這是由于器件自身的功率損耗和參數之間匹配不夠好也對其產生了影響光

14、照強度的測量及電路:在本課題中我們要研究的是在不同的光照強度下，觀察輸出最大功率的變化，所以必須對光照強度做如圖 7 所示:5 1K51KT抻LGT2EX-PLIPl,2P13Pl.4P15Pl.6Pl.7出精確地測量，這里我們采用站們的測量光強的集成模塊（光照度傳感器GY-30 光強度模塊），其接線圖GY10圖 7 光照強度傳感器接線VCC 5V_230.319v-20v30.722v0.308A0.419v-20v37.992v0.381A0.519v-20v41.604v0.415A0.619v-20v47.268v0.472A表 1 不同占空比下的輸入輸出關系0VCCSCISDA.4D

15、DR0GND圖 8 光照強度傳感器實物圖數字光強度檢測模塊（GY-30）采用 ROH 原裝 BH1750FVI 芯片，供電電源可以在 3v 到 5v 之間，光照 度范圍在 0-65535 lx。傳感器內置 16bitAD 轉換器直接以數字的形式輸出，省略復雜的計算，省略標定不 區分環境光源接近于視覺靈敏度的分光特性可對廣泛的亮度進行1 勒克斯的高精度測定。MPPT 生能測試：如圖 9 所示為 MPPT 勺實際運用電路圖：圖 9 MPPT 右上角為電流采樣模塊（ACS712 ,中間為 MPPT光伏變換器最重要的任務就是進行最大功率跟蹤控制，因此對于變換器MPPT 跟蹤性能的測試極為重要，本測試環

16、境，即在室溫恒定的情況下，改變太陽能電池板的角度，使得光照強度發生變化，并記錄每 個時刻的光照強度和輸出最大功率，測得的結果如下圖所示：綜上分析可以看出，當光伏系統工作在最大功率點時，如果光照強度增加，最大功率點電壓也相應增加，根據光照強度的變化而改變，光照強度和最大功率點電壓的關系如圖11 所示。可以看出，在光伏系統穩工作區，與光強的關系在工作區近似于一條直線，在一個小區間內，可以認為它們的關系是線性的。當光強快速變化時，光伏陣列的最大功率點電壓應該與光照強度的變化相對應。如光照強度隨時間線性增 大時，最大功率點電壓也應該線性上升。為了進一步測試換器 MPPT 的追蹤最大功率的能力，在太陽能

17、電池板上隨機產生陰影效果，當有陰影產生時變換器能夠快速的追蹤此時到光伏電池的最大功率點。取消陰影效果，變換器又回到原來的最大功率處。本實驗在于測試光伏電池在隨機陰影的影響下，光伏系統追蹤最大功率點的能力，可以看出，MPPT 追蹤曲線隨著陰影的變化而變化，時刻追蹤光伏電池的最大功率點。總體測試當各個模塊電路調試完畢并檢測無誤后將各模塊電路連接起來，組成完整系統，進行整體的測試。本實驗所用的太陽能電池板輸出最大功率為30W,開路電壓為 22.12V,短路電流為 1.95A。因太陽能電池板的輸出電壓較大，故米用分壓法來米得輸出電壓，最大輸出電流不超過2A,通過電流米集模塊直接輸出以電壓的形式,輸出電壓同樣在 3.3v 以內，單片機可以直接采集。因為太陽能電池板的內阻隨外界條件變化很快，直接放在太陽下做實驗測試的前后數據會是不同功率曲線上的點，所以結果不準確。為了取得較好的實驗效果，采用 350w 麻氣燈直接照射太陽能電池板的方法（麻氣燈的光譜最為接近于太陽光，因為太陽能電池板需要輸出 30w 的功率，這里采用 350wM 氣燈為宜）， 在太陽能電池板溫度基本穩定在時，進行測