崔振科 房曉

摘 要：文章以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，以獲取太陽能電池最大功率為目標(biāo)，基于已知的太陽能最大功率跟蹤算法，來構(gòu)建仿真模型。首先根據(jù)太陽能電池的數(shù)學(xué)模型建立光伏電池模型，然后討論使用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，并依據(jù)該算法建立系統(tǒng)的MATLAB仿真模型，最后模擬在不同溫度、光照下電池陣列的輸出特性，驗(yàn)證了仿真模型的精確性。

關(guān)鍵詞：太陽能；光伏系統(tǒng)；最大功率跟蹤；MATLAB仿真

在世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展綠色可再生能源的今天，太陽能作為新興的可再生能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域限制等的優(yōu)點(diǎn)，受到了一致青睞，正得到迅速的推廣應(yīng)用。在太陽能的各種應(yīng)用中，光伏電池應(yīng)用倍受關(guān)注。針對(duì)目前太陽能發(fā)電利用效率仍較低、供電穩(wěn)定性較差的問題，文章將學(xué)習(xí)研究光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤算法及實(shí)現(xiàn)，借用MATLAB的Simulink工具建立光伏電池的數(shù)學(xué)模型，就擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的方法進(jìn)行介紹和仿真分析，研究影響最大功率點(diǎn)的主要參數(shù)，并分析研究它們之間相互的關(guān)系及曲線變化。

1 太陽能電池輸出特性及模型分析

典型的太陽能電池的I-V方程為：

式（1）中IL為光電流；I0為反向飽和電流；q為電子電荷；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度；A為二極管因子；Rs為串聯(lián)電阻；Rsh為并聯(lián)電阻。

工程用太陽電池模型通常要求供應(yīng)商提供幾個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，如Isc、Voc、Im、Vm、Pm。以下在基本解析表達(dá)式（1）的基礎(chǔ)上，通過兩點(diǎn)近似：（1）忽略（V+IRs）/Rsh項(xiàng)，這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下該項(xiàng)遠(yuǎn)小于光電流；（2）設(shè)定IL=Isc，這是因?yàn)樵谕ǔＧ闆r下Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮?，開路狀態(tài)下，I=0，V=Voc。按此，太陽能電池的I-V方程可簡(jiǎn)化為：

在最大功率點(diǎn)時(shí)， V=Vm，I =Im，可得

注意到開路狀態(tài)下，當(dāng)I=0時(shí)，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于exp（1/C1）>>1，忽略式中的-1項(xiàng)，解出C2

最后的太陽電池模型特性由（2）確定。

為了對(duì)光伏電池性能進(jìn)行仿真，在MATLAB里選擇用m文件編寫，利用MATLAB提供的S函數(shù)接口，通過編寫S函數(shù)來建立光伏電池的模型，它具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，是建立光伏電池模型的不錯(cuò)選擇。首先需要編寫M文件，創(chuàng)建函數(shù)Ipv=fcn（S，Rs，T，Vpv）來求電流值I。

圖1 光伏電池Simulink仿真模塊及程序文件

2 擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤

擾動(dòng)觀察法的實(shí)現(xiàn)原理是測(cè)量當(dāng)前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個(gè)小電壓分量（或稱之為擾動(dòng)），其輸出功率會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，測(cè)量出改變后的功率，比較改變前的即可知道功率變化的方向。如果功率增大就繼續(xù)原擾動(dòng)方向。如果減小則改變?cè)瓟_動(dòng)方向。如果電壓增加了，功率也增加了，或者電壓減小了，功率也減小了，說明工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，下一步需要增加電壓；如果電壓增加了，而功率減小了，或者電壓減小了，功率增加了，說明工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的右側(cè)，需要減小電壓。其最后的結(jié)果是工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近來回振蕩。

定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的實(shí)質(zhì)是基于太陽能電池陣列輸出功率的計(jì)算和采樣電壓和電流值計(jì)算的功率變化，比較前一個(gè)和當(dāng)前的電壓值來檢測(cè)功率變化，計(jì)算出參考電壓Vref用于產(chǎn)生PWM（脈寬調(diào)制）的控制信號(hào)。其中ΔV為占空比間隔，決定功率變化的步長(zhǎng)。如果步長(zhǎng)值較大，則系統(tǒng)響應(yīng)快，但不準(zhǔn)確；相反，如果步長(zhǎng)值太小，則系統(tǒng)反應(yīng)慢，但相對(duì)精確。通過對(duì)Vref的不斷調(diào)整，最終可以搜索到最大功率點(diǎn)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)以上定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法思想，通過成比例地增加或減少變換器的輸入電壓，移動(dòng)操作點(diǎn)向最大功率點(diǎn)靠近，同時(shí)計(jì)算變換器所需要的占空比，然后基于占空比產(chǎn)生變換器所需的脈沖信號(hào)用以控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。在MATLAB中，利用上面建立的光伏電池模型，在MATLAB中建立MPPT仿真環(huán)境。電壓、電流檢測(cè)裝置檢測(cè)出當(dāng)前太陽電池工作點(diǎn)的電壓電流值，計(jì)算功率相對(duì)電壓的變化率，通過擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率跟蹤。

眾所周知，溫度和光強(qiáng)度是影響太陽能電池發(fā)電的兩種主要因素。利用太陽能光伏電池發(fā)電，我們希望能獲得最大功率輸出的能量。實(shí)際上，隨著外界環(huán)境的變化，就需要所建立的光伏電池膜性能快速的跟蹤外界環(huán)境的變化，保持光伏系統(tǒng)的最大功率輸出?；诖?，圖2給出了標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，溫度從25℃升高到30℃，然后從30℃緩慢降到20℃，光伏電池的電壓、電流的仿真波形。

圖2 溫度變化時(shí)，光伏系統(tǒng)電壓、電流變化曲線

從圖2可以看出，當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)光伏電池能快速的跟蹤最大功率點(diǎn)且跟蹤精度較高。另外，光伏電池的電壓電流隨溫度變化的情況也嚴(yán)格符合上述光伏電池的輸出特性。即當(dāng)溫度下降時(shí)，光伏系統(tǒng)的開路電壓降低，短路電流上升，當(dāng)溫度升高時(shí)，光伏系統(tǒng)的開路電壓上升，短路電流降低，并且溫度對(duì)開路電壓影響更加明顯。

4 結(jié)束語

隨著新能源在未來的廣泛使用，光伏發(fā)電系統(tǒng)必然會(huì)發(fā)揮它重要的作用，作為系統(tǒng)的核心部件，最大功率跟蹤部分仍有一些問題需要解決。光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型需要進(jìn)一步完善，希望能把風(fēng)速、濕度等小的影響因素加進(jìn)去，使得數(shù)學(xué)模型更接近實(shí)際光伏電池特性；如何更高效的將光伏電池產(chǎn)生的電能輸送，這需要對(duì)MPPT進(jìn)行更深入的研究。

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