基于MATLAB的光伏MPPT仿真研究

張紅光，宋吉江，翟義成，陳 潔，劉圓圓

（山東理工大學(xué)電子與電氣工程學(xué)院，山東淄博255091）

光伏陣列最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，其目的是使光伏陣列始終輸出最大的功率．只有功率最大輸出才能夠充分地利用太陽(yáng)能，減少損耗．目前太陽(yáng)能電池直接獲得的能量不穩(wěn)定，即電壓電流隨著光照和溫度是可變的．為了解決這一問(wèn)題，加入了DC／DC功率轉(zhuǎn)換模塊，使得輸出的電壓基本穩(wěn)定，能量得到最大利用．本文采用優(yōu)化的MPPT算法，并通過(guò)模擬仿真的方式來(lái)驗(yàn)證該算法是否可行．

1 光伏電池特性分析

1．1 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

根據(jù)圖1所示的光伏電池的等效電路，可以得到光伏電池的輸出特性表達(dá)式［1－2]：

式中：IO表示二極管反向飽和電流；q表示電子荷；K表示波爾茲曼常數(shù)；T表示絕對(duì)溫度；A表示二極管因子；U表示光伏電池輸出電壓；I表示光伏電池輸出電流；Rs表示電池內(nèi)阻；Rsh表示二極管反向飽和漏電流．

式（1）中的各項(xiàng)參數(shù)與電池的溫度和光照有關(guān)，而且也很難確定，且在工程應(yīng)用中不常使用．通常情況下，依據(jù)電池的特性參數(shù)簡(jiǎn)化物理模型，得到工程數(shù)學(xué)模型［3]

圖1 光伏電池等效電路圖

根據(jù)（2）—（4）式，利用MATLAB／simulink模塊建立光伏電池的仿真模型．如圖2所示．

圖2 光伏電池模型

1．2 輸出特性分析

不同溫度下的輸出特性曲線如圖3和圖4所示

圖3 不同溫度下的P－V曲線

圖4 不同溫度下的I－V曲線

隨溫度變化而改變從仿真曲線可以看出，光強(qiáng)一定時(shí)，光伏電池最大功率；輸出電流基本上不變；光伏電池功率輸出呈非線性，隨著輸出電壓的增大，功率有一個(gè)最大值，有必要進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤．

2 MPPT仿真算法分析

光伏整列正常工作時(shí)，輸出電壓以微小值不斷波動(dòng)靠近最大功率點(diǎn)時(shí)的電壓值，在輸出電壓變化的同時(shí)，檢測(cè)輸出功率變化的方向，從而確定下一次變化方向，確定下一次輸出電壓參考值的大?。惴鞒虉D如圖5所示．

圖5 控制算法流程圖

Matlab／Simulink中搭建仿真模型如圖6所示．?dāng)_動(dòng)步長(zhǎng)大小的確定尤為重要，擾動(dòng)步長(zhǎng)太小，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后精度較好，但跟蹤時(shí)間長(zhǎng)且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差；擾動(dòng)步長(zhǎng)太大，跟蹤時(shí)間雖縮短，但到達(dá)穩(wěn)態(tài)后精度會(huì)變差．該算法通過(guò)加入滯環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)，通過(guò)改變步長(zhǎng)值，并對(duì)光伏系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真，最終得出步長(zhǎng)取0．01仿真效果最為理想［4]．光伏系統(tǒng)輸出功率曲線如圖7所示．

3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上算法建立的模型，參考電池參數(shù)為開(kāi)路電壓42V，短路電流4．5A，峰值電壓34V，峰值電流4A［5]．在光伏電池后加入功率轉(zhuǎn)換電流DC／DC模塊，采集電壓電流后控制pwm模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤．光照和溫度由階躍信號(hào)提供，光照由1kW下降到0．8kW后系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，并穩(wěn)定在一定值．如圖7所示，分別是電壓、電流、功率跟蹤曲線．

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用MATLAB中的simulink模塊對(duì)光伏電池及MPPT控制模塊進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，證明具有可行性．雖然光伏電池模型沒(méi)有使用S函數(shù)編寫(xiě)，精確性有所下降，但是這樣的模型方便使用，同時(shí)還可以作進(jìn)一步改進(jìn)．

圖7 功率跟蹤曲線

［1] 王立喬，孫孝峰．分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)［M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：25－35．

［2] 王長(zhǎng)貴，王斯成．太陽(yáng)能光伏發(fā)電實(shí)用技術(shù)［M] ．第二版．北京：北京化學(xué)工業(yè)出版社，2009：33－46．

［3] 高厚磊，田佳，杜強(qiáng)，等．能源開(kāi)發(fā)新技術(shù)－－分布式發(fā)電［J] ．山東大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2009，39（5）：107－108．

［4] 周德佳，趙爭(zhēng)鳴，吳理博，等．基于仿真模型的太陽(yáng)能光伏電池陣列特性的分析［J] ．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，47（7）：1 109－1 112．

［5] 唐渝，趙莉華．光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制［J] ．電源世界，2010（6）：48－51．