邱冠華，王洪躍，吳 陽，郭 瑞

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽110136)

1 光伏電池輸出特性及建模

太陽能池板的特性即利用半導(dǎo)體PN結(jié)的光電效應(yīng)，通過光照產(chǎn)生電壓差，從而將射線的熱能轉(zhuǎn)化為電能，這也是太陽能池板的工作原理。當(dāng)外加光源提供穩(wěn)定照射量時，池板產(chǎn)生電流 Iph穩(wěn)定，等效為穩(wěn)定電流源。虛擬接入電阻R做為負載，由于電流的存在將產(chǎn)生電壓降，也因此將在 PN結(jié)上產(chǎn)生電流 Id。為了模擬太陽能池板特性，添加電阻Rs和Rsh，來描述材料特性電阻，等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池數(shù)學(xué)模型

由于太陽能電池板的發(fā)電環(huán)境受溫度和光照影響較大，具有不確定性，因此電池板的特性曲線體現(xiàn)出非線性的特點，利用Matlab仿真軟件，通過編程和相應(yīng)模塊組合得到了不同溫度，光照等情況下的U-I特性曲線和P-U特性曲線如圖2、3、4所示，針對不同的曲線得到以下結(jié)論：

1)太陽能池板輸出電流與光照成正比。

2)太陽能池板輸出電壓與溫度成反比。

3)初始發(fā)電及低電壓情況可等效電流源。

4)最大電壓狀態(tài)可以等效電壓源。

5)太陽能池板存在最大功率發(fā)電點。

針對太陽能電池板的發(fā)電特性，綜合對比傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤策略后，提出了改進型變步長尋優(yōu)方法，并通過仿真和試驗證明了方法的實用性和有效性。

2 光伏MPPT控制

太陽能池板的輸出功率，即輸出電壓和電流隨著光照強度和環(huán)境溫度非線性關(guān)系變化。為了使太陽能池板得到最大發(fā)電功率，需要合適的外加負載，即合適的二次側(cè)電流。由于太能能池板使用變流器實現(xiàn)發(fā)電并網(wǎng)，因此通過控制變流器的開關(guān)器件，從而得到合適的電流或者電壓來模擬負載特性，同時使太陽能池板在最大功率點發(fā)電，這種方法稱為最大功率點跟蹤(MPPT)。

傳統(tǒng)的最大功率點跟蹤方法有恒定電壓法(CVT)、擾動觀察法(P＆O)、電導(dǎo)增量法(INC)。

1)恒定電壓法。在外界溫度變化較小的條件下，利用太陽能池板最大功率點的工作電壓和開路最大電壓，多次實驗得到固定比例，實際應(yīng)用即設(shè)定這個電壓不變即為恒定電壓法。此種方法簡單，工作穩(wěn)定，但精度較差，發(fā)電效率受影響較大。

圖2 光伏池板單板I-U曲線和P-U曲線

圖3 不同光照情況下光伏池板的I-U和P-U曲線

圖4 不同溫度條件下光伏池板的I-U曲線和P-U曲線

2)擾動觀察法。通過恒定電壓法使太陽能池板進入最大工作點附近工作，然后通過控制變流器和直流升壓裝置改變負載電壓。每次擾動電壓增量，觀測池板輸出功率，通過不斷地正負方向擾動最終實現(xiàn)最大功率點發(fā)電。此方法通過控制器編程實現(xiàn)，在外界環(huán)境穩(wěn)定的條件下效果較好。但初始參數(shù)和擾動增量需精確控制，池板最大功率點判斷過程容易產(chǎn)生反復(fù)尋優(yōu)震蕩，功率損耗較大，或者出現(xiàn)錯誤的工作點尋優(yōu)結(jié)果。

3)電導(dǎo)增量法。電導(dǎo)增量法是根據(jù)dP/dV方向來進行MPPT控制，但當(dāng)太陽能池板工作在最大功率點時，與擾動法控制有所區(qū)別。在Pm處P-V曲線斜率為0。即對Pm=VI兩端對V求導(dǎo)可得

當(dāng)求導(dǎo)為0則尋優(yōu)結(jié)束，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化值與輸出電導(dǎo)變化量的負值相等時，太陽能池板工作在最大功率點。

具體尋優(yōu)編程思路：設(shè)定2個觀測變量為電壓值V(k)和電流值I(k)，采集參數(shù)進行對比，若兩個變量差值均為0，則表示不需要進行擾動尋優(yōu)，若電壓差值為0，而電流差值不為0，則表示光照溫度發(fā)生變化。其中，若電流差值大于0，則增大工作電壓方向?qū)?yōu)，若電流差值小于0，則減壓尋優(yōu)。該方法可以在光照條件復(fù)雜的情況下為太陽能池板快速尋優(yōu)發(fā)電，并且不會在最大功率工作點出現(xiàn)震蕩損耗。但該方法通過編程實現(xiàn)工作量較大，對系統(tǒng)硬件要求較高，同時擾動增量不變，尋優(yōu)速度較慢。

4)變步長的電導(dǎo)增量法。通過針對傳統(tǒng)最大功率點跟蹤的方法研究和仿真，提出了變步長電導(dǎo)增量法。其原理為每次尋優(yōu)的擾動電壓大小隨輸出電壓與太陽能池板出廠設(shè)置給定的最大功率點的電壓之差變化。這樣當(dāng)太陽能池板工作點偏差較大時系統(tǒng)會采用較大步長進行快速尋優(yōu)，使工作點接近最大工作點，接近最大功率點時，步長隨差值不斷減小，提高了尋優(yōu)精度的同時也提高了效率。

5)MPPT控制的對比仿真。對最大功率點跟蹤方法利用matlab搭建的仿真模型以光伏池板的輸出電壓和負荷的輸出電流為輸入量，采用電導(dǎo)增量法進行判斷。仿真條件為設(shè)定75 W太陽能池板，直流升壓電路參數(shù) L=63 mH，C=1 000 μF，開關(guān)頻率 f=1.9 kHz，光照強度設(shè)為G=1 200 W/m2，環(huán)境溫度T=22℃。

①不同電導(dǎo)增量法對比仿真。仿真針對固定步長(包含大步長和小步長)和變步長2種最大工作點跟蹤方法進行對比，如圖5所示。傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法大步長尋優(yōu)速度快，但波動較大，小步長情況下速度慢，但波動較小。這里所提出的變步長尋優(yōu)速度快，波動小，仿真結(jié)果驗證了所提出方法的正確性。

圖5 不同MPPT方法下光伏組件輸出功率和電壓波形

②不同外界環(huán)境仿真。初始環(huán)境溫度T=22℃，光照強度G=1 100 W/m2，仿真效果如圖6所示。光照強度變化2 s時，光照強度下降至G=600 W/m2，光伏電池的輸出最大功率有所下降4 s時重新上升至G=1 100 W/m2，最大功率增加溫度保持不變。外界溫度變化。2 s時T=20℃，光伏組件輸出的最大功率增大；4 s時重新上升至T=28℃，最大功率減小光照保持G=1 100 W/m2不變。通過仿真結(jié)果證明所提出的方法在外界條件變化時，依然可以迅速尋優(yōu)得到最大功率工作點，提高發(fā)電效率。

圖6 光照變化和溫度變化時光伏組件輸出的功率

3 試驗平臺測試

通過仿真驗證后，利用太陽能發(fā)電并網(wǎng)試驗系統(tǒng)針對所提出理論進行試驗驗證。實驗方法為通過直流可編程電源模擬太陽能池板的輸出特性，試驗條件為I-V特性曲線的理論最大功率跟蹤點為：Pmax=4.4 kW，Umppt=520 V，Imppt=8.5 A。試驗系統(tǒng)啟動后，通過控制變流器，實現(xiàn)所提出的控制策略，利用示波器記錄模擬電源尋優(yōu)結(jié)束后的直流電壓、電流波形，CH2為電流波形，縱坐標(biāo)500 mV/格，直流探頭檔位為100 mV/A，換算為有效值為8.19 A，CH1為模擬電源輸出的直流電壓波形，測得有效值為518 V，通過計算得到P=4.25 kW，與理論最大功率點設(shè)定的4.4 kW有0.15 kW的偏差，這部分微功率損失判斷為實驗系統(tǒng)器件損耗，誤差在3%，符合試驗設(shè)定。實驗結(jié)果驗證了所提出的變步長最大功率點跟蹤方法尋優(yōu)效果好，效率高，符合微電網(wǎng)發(fā)展的需要。

4 結(jié)語

隨著微電網(wǎng)概念的提出，光伏發(fā)電成為電力系統(tǒng)研究的熱點。針對光伏發(fā)電技術(shù)中太陽能池板最大功率工作點展開研究，以太陽能池板發(fā)電原理及建立數(shù)學(xué)模型作為理論基礎(chǔ)，針對太陽能池板輸出特性及最大功率跟蹤的方法，對比分析了傳統(tǒng)的恒定電壓法，擾動觀察法和電導(dǎo)增量法，總結(jié)優(yōu)缺點后提出了改進型變步長電導(dǎo)增量法，在距離最大功率點較遠的時候，采用較大的步長，縮減追蹤時間，在最大功率點附近時，步長減小，增大追蹤精度。并利用matlab仿真軟件對傳統(tǒng)和所提出的變步長電導(dǎo)增量法進行了仿真，仿真結(jié)果證明變步長增量法收斂速度快，效果良好。最后通過光伏發(fā)電并網(wǎng)試驗系統(tǒng)進行了4.4 kW太陽能池板最大功率跟蹤技術(shù)實驗，跟蹤實驗誤差在3%，符合微電網(wǎng)技術(shù)要求。

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