趙穎

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福建 廈門 361012）

光伏最大功率跟蹤的自適應(yīng)電壓控制仿真研究

趙穎

（廈門海洋職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福建 廈門 361012）

論文介紹了光伏電池數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上用Matlab 7.4環(huán)境下的Simulink工具搭建仿真模型，并提出電壓自適應(yīng)法的最大功率跟蹤（MPPT）的方法，與傳統(tǒng)固定步長的擾動法的仿真相比較，證明了電壓自適應(yīng)法的光伏最大功率跟蹤有響應(yīng)速度快，結(jié)果準確等優(yōu)點。

光伏電池；模型；MPPT；電壓自適應(yīng)法；simulink仿真

0 引言

太陽能是一種發(fā)展迅速的可再生能源，光伏發(fā)電作為太陽能的一種利用方式，由于具有保護氣候、改善環(huán)境、節(jié)省空間、增加就業(yè)和提供邊遠地區(qū)電力等優(yōu)點，近年來受到越來越多國家的重視。2000～2007年間，全球光伏系統(tǒng)及其組件累計裝機容量年復(fù)合增長率達到30.83%，全球的光伏業(yè)產(chǎn)值達172億美元，其增長態(tài)勢迅猛。但是由于溫度和光照對光伏電池的影響，導致光伏系統(tǒng)的輸出功率具有波動性和隨機性，對系統(tǒng)最大功率的跟蹤就很必要了，最大功率跟蹤方法有恒壓法，擾動法，電導增量法等，由于擾動法結(jié)構(gòu)簡單，被測參數(shù)少等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用，而傳統(tǒng)的擾動法存在著一個缺點，即步長固定，如果步長過小，就會導致光伏陣列長時間地滯留在低功率輸出區(qū)；如果步長過大，就會導致系統(tǒng)振蕩加劇。針對這一缺點本文給出了一種自適應(yīng)變步長擾動法。當距離最大功率點較遠時，步長取大，速度加快；當距離最大功率點較近時，步長取小，慢慢接近最大功率點；當很接近最大功率點時，系統(tǒng)穩(wěn)定在該點工作。

1 光伏電池模型

1.1 光伏電池特性

典型光伏電池輸出功率隨光強和環(huán)境溫度變化的特性曲線如圖1所示，圖1（a）為不同光照強度下的特性曲線，圖1（b）為不同環(huán)境溫度下的特性曲線，由圖1可以看出，光伏陣列的輸出與光強和環(huán)境是高非線性度的。

圖1 典型光伏特性曲線Fig.1 Character curve of PV array

1.2 光伏電池特性數(shù)學模型

本文在Matlab下建立光伏模型的數(shù)學公式[1]：設(shè)T為任意溫度Ta（℃）和任意的光照強度S（W/m2）下的太陽能電池溫度：

式中： t（℃·m2/W）為光伏模塊的溫度系數(shù)，本文中取0.005。設(shè)在參考條件（Sref=1000W/m2，Tref=25℃）下，Isc—短路電流；Uoc—開路電壓，Im、Um—最大功率點電流和電壓U，則當光伏陣列電壓為U，其對應(yīng)點電流為I：

式中：α—在參考日照下,電流變化溫度系數(shù)（A/℃）；β—在參考日照下,電壓變化溫度系數(shù) （V/℃）；R—光伏陣列模塊的內(nèi)阻。

1.3 光伏陣列的仿真模型

基于上述數(shù)學模型，在Matlab環(huán)境下利用Simulink工具建立的仿真模塊直觀，方便，只需將模塊連接起來即可，太陽能電池任意環(huán)境溫度和光照強度下的仿真模塊[2,3]如圖2所示。本文采用的電池板為HG55(18)D826×532，其標準條件下（S=1000W/m2，T=25℃）的參數(shù)如下：UOC=21.6V，Um=17.2V，ISC=3.41A，Im=3.19A，α=0.015，β= 0.7，R=2Ω。

圖2 光伏陣列Fig.2 PV array

2 最大功率跟蹤的Simulink建模

太陽能的最大功率跟蹤是為了對太陽能的充分利用，基于上述光伏陣列模塊進行的MPPT的動態(tài)仿真如圖3所示的太陽能系統(tǒng)的仿真模型[4]，該模型是一個動態(tài)的、完整的系統(tǒng)模型，可以描述太陽電池的負載、工作環(huán)境等變化時的工作情況，適合于對太陽電池最大功率點控制的研究。為了簡化圖像，便于仿真研究，將它封裝成為子系統(tǒng)，圖中的PV array為光伏陣列的封裝模塊，PWM模塊為輸出占空比的控制電路，變換環(huán)節(jié)是通過控制電壓的方法將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路，在太陽能發(fā)電中，變換器的作用是從太陽能方陣中吸收最大電流并且提升電壓。本文轉(zhuǎn)換采用 Boost電路，其中開關(guān)頻率為 20KHz，C1= 100μF，C2=156μF，L=78μH，負載為R=5Ω。最大功率跟蹤過程中，采用可變步長的仿真，最小步長與最大步長自動調(diào)節(jié)，相對誤差允許范圍為1×10-3，絕對誤差范圍自動調(diào)節(jié)，測量負載端的電流和電壓，根據(jù)功率的變化大小確定電壓的擾動方向及其步長，電壓環(huán)實現(xiàn)對電壓的實時跟蹤，移動操作點向MPPT靠近，同時計算升壓變換器所需要的占空比，并將占空比輸入給場效應(yīng)管，從而調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的導通時間，如此反復(fù)，從而實現(xiàn)對最大功率的跟蹤。

圖3 光伏系統(tǒng)的MPPT仿真模型Fig.3 MPPT simulating model of photovoltaic system

在MPPT擾動過程中，如果擾動步長太大，則跟蹤最大電壓點速度快，但有可能不能準確跟蹤或者在最大點穩(wěn)態(tài)附近有振蕩情況，而這些振蕩將降低光伏陣列能量轉(zhuǎn)換效率。如果步長太小，最大點附近振蕩會減小，增大光伏陣列能量轉(zhuǎn)換效率，但響應(yīng)速度慢，當環(huán)境條件變化快時有可能偏離最大功率點。因此，合理設(shè)置擾動步長對于跟蹤最大功率點的快速、準確性有決定性作用。為了避免上述情況，這里采用自適應(yīng)變步長方法。MPPT的設(shè)計思想是由△Pk確定擾動的大小和方向，控制原理采用令△Pmax為設(shè)定的最大誤差值，△Pmin為設(shè)定的較小誤差值。若△Pk的值大于零，則向同方向搜索，若△Pk小于零，則向反方向搜索；若△Pk的絕對值小于△Pmin，則搜索步長參數(shù)較大，若△Pk的絕對值介于設(shè)置的最大步長和最小步長參數(shù)之間，則步長參數(shù)選擇最小，如果△Pk的絕對值大于設(shè)置的最大步長值，則選擇的步長參數(shù)最大，即電壓的變化跟隨這功率變化值的變化而準確變化。則在電壓擾動過程中，若△Pk→0時，α｜Pk-Pk-1｜→0，則△V→0，因此電壓基本保持在前一時刻的值，有很小的變化，因此系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，在最大點附近振蕩很??；相反△Pk較大時，α增大，保證快速跟蹤到最大功率點。

3 仿真結(jié)果

當環(huán)境溫度為25℃、光強從1000W/m2變到800W/m2時，采用可變步長的ode23tb（stiff/TR-BDF2）仿真，仿真從0秒開始，仿真時間設(shè)置為0.02秒，同時，最大功率點跟蹤控制模塊的采樣周期與脈寬調(diào)制模塊的采樣周期相同，都取為0.001。進行了電壓環(huán)自適應(yīng)擾動法的仿真研究，仿真功率輸出結(jié)果如圖 4所示。系統(tǒng)不斷對功率和電壓進行調(diào)整，大約過了0.006秒之后，功率最大值趨于穩(wěn)定，并且在最大功率點的震蕩很小。

圖5 為同樣光照和環(huán)境溫度條件下，固定步長（取0.01）擾動法的MPPT的輸出的功率波形圖，由圖可看出，獲得最大功率時間約0.01秒，并且在最大功率點的波形震蕩幅度較大，與圖4對比發(fā)現(xiàn)，本文應(yīng)用的自適應(yīng)電壓法的MPPT控制使電路的輸出功率快速達到最大值點，并且在最大值點附近的擾動震蕩明顯減小。

圖4 自適應(yīng)電壓控制系統(tǒng)功率輸出波形Fig.4 Power waveforms of the system with the adaptive voltage Controlling

圖5 固定步長的系統(tǒng)功率輸出Fig.5 Power waveforms with immovable algorithm

4 結(jié)論

從仿真結(jié)果可以看出，電壓環(huán)自適應(yīng)最大功率跟蹤算法的響應(yīng)速度快，而且在穩(wěn)定點附近振蕩小，減小了穩(wěn)定運行時的輸出功率損耗。本文控制算法采用自適應(yīng)變步長擾動方法，電壓擾動步長根據(jù)功率變化隨時被自動調(diào)節(jié)，可避免固定步長擾動的響應(yīng)速度慢，在穩(wěn)定點震蕩大的弊端，能滿足最大功率跟蹤控制的快速性和準確性要求，該控制算法是可行的。

[1]蘇建徽，等.硅太陽電池工程用數(shù)學模型[J].太陽能學報，2001，4.

[2]茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，5.

[3]杜柯，段善旭，劉飛.基于Matlab的一種光伏陣列模擬器的研究[J].通信電源技術(shù)，2006，3.

[4]高嵩.獨立式光伏逆變電源的研究[D].北京交通大學，2008.

Simulation Study of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking with the Adaptive Voltage Controlling

ZHAO Ying
（Xiamen Ocean College,Mechanical and Electrical Engineering Department,Xiamen Fujian 361012,China）

This paper introduces the math model of the photovoltaic array,basing on such a model,the simulating model under simulink of matlab 7.4 was founded.And a new adaptive voltage controlling scheme was proposed for the maximum power point tracking(MPPT),compared to the traditional controlling algorithm of immovable disturbed simulating result,the result characteristics of high response speed,accurate and credible are achieved under the new MPPT controlling scheme.

photovoltaic array；model；MPPT；adaptive voltage controlling scheme；simulink simulation

TM615

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.061

1002－6673（2014）03－160－03

2014－04－17

趙穎（1982-），女，遼寧瓦房店人，助教，碩士研究生。研究方向：獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。