基于擾動觀察法的光伏充電建模及仿真

劉志孟

摘 要：為了提高使用太陽能給蓄電池充電的效率，對光伏太陽能組件進行了一個系統(tǒng)的建模，并搭建主電路，使用擾動觀察法追蹤組件的最大功率，使其盡可能以最大功率對蓄電池進行充電。在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下，使用其數(shù)學模型進行了從光伏組件的建模到蓄電池充電的主電路，并仿真實驗結(jié)果進行論證。

關鍵詞：buck變換器；擾動觀察法；最大功率跟蹤

0 引言

光伏電池的轉(zhuǎn)換效率受材料和工藝限制，為了進一步提高光伏電池的利用率提出了最大功率跟蹤問題[1]。本文對光伏太陽能從建模到充電的主電路進行了仿真分析，采用擾動觀察法追蹤最大功率點。

1 光伏太陽能組件建模

太陽能電池傳統(tǒng)模型：

如圖1所示，根據(jù)基爾霍夫電流定律進行電路分析：

其中：I0為二極管飽和電流，VOUT光伏太陽能電池板的輸出電壓，u為光伏電池的開路電壓.綜上可以寫出負載電流I的計算公式為：

q為電荷量1.6×10-19C；K為波爾茲曼系數(shù)1.38×10-23J/K；A為二極管質(zhì)量因數(shù)，它的值在1～2之間。由于此方程變量過多，在仿真時影響精度，所以我們在其基礎上進行條件約束，根據(jù)參考文獻[2]設定太陽光輻射強度為1000W/m2，相對濕度為1.5，環(huán)境溫度為25℃，1.5），光伏電池短路電流ISC、開路電壓UOC、峰值電流Im。、峰值電壓Um，則當光伏陣列電壓為VOUT時，其對應點電流I為

選取布雷科曼的100W太陽能電池板組件型號為CHN100-36W作為搭建的基礎，參數(shù)：最大功率：100W，最佳工作電壓：19.3V

最佳工作電流：5.18A，開路電壓：22.90V，短路電流：5.56A，開路電壓的溫度系數(shù)：-0.29%/℃，短路電流的溫度系數(shù)：0.0005%/℃

仿真結(jié)果

2 擾動觀察法

2.1 理論分析

在光伏發(fā)電領域中擾動觀察法因其操作方便被廣泛利用，擾動觀察法根據(jù)光伏器件在最大功率點處?P/?U=0 的特性進行最大功率點跟蹤控制，具體工作過程：在系統(tǒng)穩(wěn)定工作情況下，假設增大最大功率點跟蹤電路功率器件的占空比，控制器對占空比調(diào)節(jié)前后的光伏器件輸出功率、輸出電壓進行采樣計算，如果輸出功率與輸出電壓為?P/?U >0，則表明系統(tǒng)工作在最大功率點左側(cè)，應繼續(xù)增加占空比，直到?P/?U =0即為最大功率點[3]。

但是在計算的過程中，有可能出現(xiàn)一種?U趨于無窮小的情況，根據(jù)數(shù)學模型，計算速度會大大降低，同時影響到了仿真的時間和精確度，故我們在本仿真中采用?P*?U的方法，及做到了不影響實驗精度，又大大提高了仿真效率。

2.2 仿真分析

經(jīng)仿真分析，功率可以迅速跟蹤到最大值100W，當外界影響時，可以有效避免干擾。

3 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

主電路采用buck結(jié)構(gòu)，原理說明：

（1）本文仿真采用的是功率100W、最佳工作電壓為19.3V的光伏電池板，蓄電池采用的是額定充電電壓為12V，故采用buck電路進行降壓。

（2）擾動觀察法進行最后計算的是dP、dU，而在仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，功率和電流都在隨著電壓變化，故把電壓當做控制量是最直接有效的方法，而buck電路的電壓平均值為

ton為MOSFET處于導通時間；toff為MOSFET處于斷開狀態(tài)；T為導通、斷開周期，α為占空比，綜合上式發(fā)現(xiàn)我們只要改變占空比就完全可以試驗控制電壓的目的。

在本次的關于建模和仿真的結(jié)果，非常有助于研究日常太陽能充電的效率，而且在整個系統(tǒng)中從光伏組件的搭建，以及追蹤最大功率的方法到最后的主電路設計，都給出了詳細的步驟，方便了以后的研究。

參考文獻

[1]林泉，朱凈松.光伏陣列MPPT集中控制與分散控制比較研究[J].電源技術(shù)，2016，（40）：382-383.

[2]鄧棟，易靈芝，李明，等.基于S-函數(shù)光伏陣列最大功率追蹤的控制策略[J].湖南工業(yè)大學學報，2009，23（5）：52-54.

[3]張超，何湘寧.短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中的應用[J].中國電機工程學報，2006，（26）：98-102.

（作者單位：北方工業(yè)大學）