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(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 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(mén)海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，福建 廈門(mén) 361012）

論文介紹了光伏電池?cái)?shù)學(xué)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(zhǎng)的擾動(dòng)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(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

光伏電池；模型；MPPT；電壓自適應(yīng)法；simulink仿真

0 引言

太陽(yáng)能是一種發(fā)展迅速的可再生能源，光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能的一種利用方式，由于具有保護(hù)氣候、改善環(huán)境、節(jié)省空間、增加就業(yè)和提供邊遠(yuǎn)地區(qū)電力等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到越來(lái)越多國(guó)家的重視。2000～2007年間，全球光伏系統(tǒng)及其組件累計(jì)裝機(jī)容量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到30.83%，全球的光伏業(yè)產(chǎn)值達(dá)172億美元，其增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)迅猛。但是由于溫度和光照對(duì)光伏電池的影響，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)的輸出功率具有波動(dòng)性和隨機(jī)性，對(duì)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(dòng)法，電導(dǎo)增量法等，由于擾動(dòng)法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，而傳統(tǒng)的擾動(dòng)法存在著一個(gè)缺點(diǎn)，即步長(zhǎng)固定，如果步長(zhǎng)過(guò)小，就會(huì)導(dǎo)致光伏陣列長(zhǎng)時(shí)間地滯留在低功率輸出區(qū)；如果步長(zhǎng)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇。針對(duì)這一缺點(diǎn)本文給出了一種自適應(yīng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)法。當(dāng)距離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，步長(zhǎng)取大，速度加快；當(dāng)距離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，步長(zhǎng)取小，慢慢接近最大功率點(diǎn)；當(dāng)很接近最大功率點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)穩(wěn)定在該點(diǎn)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(qiáng)和環(huán)境溫度變化的特性曲線(xiàn)如圖1所示，圖1（a）為不同光照強(qiáng)度下的特性曲線(xiàn)，圖1（b）為不同環(huán)境溫度下的特性曲線(xiàn)，由圖1可以看出，光伏陣列的輸出與光強(qiáng)和環(huán)境是高非線(xiàn)性度的。

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

1.2 光伏電池特性數(shù)學(xué)模型

本文在Matlab下建立光伏模型的數(shù)學(xué)公式[1]：設(shè)T為任意溫度Ta（℃）和任意的光照強(qiáng)度S（W/m2）下的太陽(yáng)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(kāi)路電壓，Im、Um—最大功率點(diǎn)電流和電壓U，則當(dāng)光伏陣列電壓為U，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)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(xué)模型，在Matlab環(huán)境下利用Simulink工具建立的仿真模塊直觀(guān)，方便，只需將模塊連接起來(lái)即可，太陽(yáng)能電池任意環(huán)境溫度和光照強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(yáng)能的最大功率跟蹤是為了對(duì)太陽(yáng)能的充分利用，基于上述光伏陣列模塊進(jìn)行的MPPT的動(dòng)態(tài)仿真如圖3所示的太陽(yáng)能系統(tǒng)的仿真模型[4]，該模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、完整的系統(tǒng)模型，可以描述太陽(yáng)電池的負(fù)載、工作環(huán)境等變化時(shí)的工作情況，適合于對(duì)太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)控制的研究。為了簡(jiǎn)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(guò)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(yáng)能發(fā)電中，變換器的作用是從太陽(yáng)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(kāi)關(guān)頻率為 20KHz，C1= 100μF，C2=156μF，L=78μH，負(fù)載為R=5Ω。最大功率跟蹤過(guò)程中，采用可變步長(zhǎng)的仿真，最小步長(zhǎng)與最大步長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，相對(duì)誤差允許范圍為1×10-3，絕對(duì)誤差范圍自動(dòng)調(diào)節(jié)，測(cè)量負(fù)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(dòng)方向及其步長(zhǎng)，電壓環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)跟蹤，移動(dòng)操作點(diǎn)向MPPT靠近，同時(shí)計(jì)算升壓變換器所需要的占空比，并將占空比輸入給場(chǎng)效應(yīng)管，從而調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通時(shí)間，如此反復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)過(guò)程中，如果擾動(dòng)步長(zhǎng)太大，則跟蹤最大電壓點(diǎn)速度快，但有可能不能準(zhǔn)確跟蹤或者在最大點(diǎn)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(zhǎng)太小，最大點(diǎn)附近振蕩會(huì)減小，增大光伏陣列能量轉(zhuǎn)換效率，但響應(yīng)速度慢，當(dāng)環(huán)境條件變化快時(shí)有可能偏離最大功率點(diǎn)。因此，合理設(shè)置擾動(dòng)步長(zhǎng)對(duì)于跟蹤最大功率點(diǎn)的快速、準(zhǔn)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(zhǎng)方法。MPPT的設(shè)計(jì)思想是由△Pk確定擾動(dòng)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(duì)值小于△Pmin，則搜索步長(zhǎng)參數(shù)較大，若△Pk的絕對(duì)值介于設(shè)置的最大步長(zhǎng)和最小步長(zhǎng)參數(shù)之間，則步長(zhǎng)參數(shù)選擇最小，如果△Pk的絕對(duì)值大于設(shè)置的最大步長(zhǎng)值，則選擇的步長(zhǎng)參數(shù)最大，即電壓的變化跟隨這功率變化值的變化而準(zhǔn)確變化。則在電壓擾動(dòng)過(guò)程中，若△Pk→0時(shí)，α｜Pk-Pk-1｜→0，則△V→0，因此電壓基本保持在前一時(shí)刻的值，有很小的變化，因此系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在最大點(diǎn)附近振蕩很??；相反△Pk較大時(shí)，α增大，保證快速跟蹤到最大功率點(diǎn)。

3 仿真結(jié)果

當(dāng)環(huán)境溫度為25℃、光強(qiáng)從1000W/m2變到800W/m2時(shí)，采用可變步長(zhǎng)的ode23tb（stiff/TR-BDF2）仿真，仿真從0秒開(kāi)始，仿真時(shí)間設(shè)置為0.02秒，同時(shí)，最大功率點(diǎn)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(jìn)行了電壓環(huán)自適應(yīng)擾動(dòng)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(duì)功率和電壓進(jìn)行調(diào)整，大約過(guò)了0.006秒之后，功率最大值趨于穩(wěn)定，并且在最大功率點(diǎn)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(zhǎng)（取0.01）擾動(dòng)法的MPPT的輸出的功率波形圖，由圖可看出，獲得最大功率時(shí)間約0.01秒，并且在最大功率點(diǎn)的波形震蕩幅度較大，與圖4對(duì)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(dá)到最大值點(diǎn)，并且在最大值點(diǎn)附近的擾動(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)附近振蕩小，減小了穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的輸出功率損耗。本文控制算法采用自適應(yīng)變步長(zhǎng)擾動(dòng)方法，電壓擾動(dòng)步長(zhǎng)根據(jù)功率變化隨時(shí)被自動(dòng)調(diào)節(jié)，可避免固定步長(zhǎng)擾動(dòng)的響應(yīng)速度慢，在穩(wěn)定點(diǎn)震蕩大的弊端，能滿(mǎn)足最大功率跟蹤控制的快速性和準(zhǔn)確性要求，該控制算法是可行的。

[1]蘇建徽，等.硅太陽(yáng)電池工程用數(shù)學(xué)模型[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(dú)立式光伏逆變電源的研究[D].北京交通大學(xué)，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(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究。