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：MPPTBoost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跟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：

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：1）1）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50W功率。根據供應商規范，它的重量約4.5千克，尺寸為630mmX550mmX30mm。光照強度檢測圖3太陽能系統總體原理圖Boost電路的基本工作原理：根據輸入電壓與輸出電壓關系的不同，DC/DC轉換電路可分為降壓、升壓和升降壓三種基本類型。由于太陽能光伏陣列工作時受光照強度的影響很大，即天氣狀況對其有很大的影響，綜合分析后，一般選用升壓型DC/DC變換電路。因為升壓型Boost電路可以始終工作在輸入電流連續狀態，只要輸入電感足夠大，電桿上的紋波電流就能足夠小，接近于直流電流，所以這里，我們采用升壓型Boost電路來實現最大功率跟蹤。升壓型Boost電路原理如圖1所示。圖中，作為開關器件的Q是N溝道金屬氧化物半導體場效應管，輸出電壓U。與輸入電壓比的比例關系就是通過控制柵極PWM（脈寬調制）信號的導通占空比來進行調節的。設電感和電容的取值足夠大，電路每個工作周期按Q導通和關斷分為兩個階段。當Q導通，電感L儲能，電感電流增加，感應電動勢為左正右負，二極管D截止，負載僅靠儲于電容C的能量維持工作；當Q關斷，電感電流瞬間不能突變，產生的感應電動勢左負右正，迫使二極管導通，電源和電感共同向負載供電，同時還給電容C充電。一個周期T內，電感L兩端電壓UL對時間的積分為0，則有：由此推得下式：由于，并記但=5,則（2）式整理后便的出輸出輸入的電壓關系為:3）式中：T開關周期；ton———開關管導通時間；toff———開關管關斷時間a開關占空比；Ui、Ui、Uo———Boost電路的輸入、輸出電壓。圖1boost升壓電路Boost電路的輸入電壓即為太陽能電池的輸出電壓。設輸出電壓Uo加在純電阻負載兩端。從以上分析中我們可以得到，負載曲線與太陽能電池曲線的交點改變時，當改變占空比時就可以改變Boost電路的放大倍數。因此，通過改變占空比就可在限定范圍內調節太陽能電池的輸出電壓，使得輸出的電壓為恒定值。Boost電路的具體實現及改進：

在大多數Boost電路中，都會采用PWM控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，PWM信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CMOS工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5-20V，適應TTL或CMOS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?+5V的偏移量，并能屏蔽小于50ns的脈沖。采用CMOS施密特觸發輸入，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/CMOS電平兼容；邏輯電源地(Vss)和功率地(COM)之間允許有±5V的偏移量；工作頻率高，可達500kHz；開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns:輸出峰值電流可達2A，上橋臂通道可承受500V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。VDDHOVDDHO￥BHIHSTVSTOCOMUK￥SSTA圖2IR2110驅動電路Boost電路參數計算與選擇:升壓電感的選擇: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:==0_63545臨界電感值為:^=^7=0^?=?

光伏電池板輸出端電壓;u0――變換器輸出端電壓；亍――開關管工作頻率;根據計算結果，實際選用電感值為200MHo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0.5%Vo,因此有:25x0_630_1%16_5350105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。輸入電容的選擇有：通過電容C1的電流為光伏電池板電流減去電感電流對電容產生的紋波電壓為有：通過電容C1的電流為光伏電池板電流減去電感電流對電容產生的紋波電壓為Vin，sq/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O.luF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1OKQ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，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:4-1XMM1ZVN2106A*靂吧嘉代ioon5%4-1XMM1ZVN2106A*靂吧嘉代ioon5%3iO^iisetfvyy\2OTUHDiobevi^tuai47niF圖5Boost電路仿真分析圖6為它的輸入輸出波形的關系：

圖6輸入輸出波形圖7為此時的占空比，可見，此時占空比為62.16：時間6.300ms通道/時間6.300ms通道/謹道」15.000V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，M0S管用IRF540N，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=1000，f=50kHz。給定不同的導通占空比，得到表1所示數據。

aUiUoIo0.319v-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），其接線圖如圖7所示：VCC5V圖7光照強度傳感器接線

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ROHM原裝BH1750FVI芯片，供電電源可以在3v到5v之間，光照度范圍在0-65535lx。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性能測試：如圖9所示為MPPT的實際運用電路圖:圖9MPPT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