光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT研究與仿真

趙春柳

摘要：光伏電池的利用率一般受輻照度、溫度等因素的影響，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，都采用最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)。本文以常用的定電壓跟蹤法（CVT）、擾動(dòng)觀測(cè)法（P&O）和電導(dǎo)增量法（INC）為研究對(duì)象，搭建PSIM仿真電路，Visual C++生成的DLL實(shí)現(xiàn)相關(guān)MPPT算法。通過(guò)在輻照度、溫度變化下的PV系統(tǒng)三種MPPT算法功率跟蹤效率的仿真結(jié)果，分析三種MPPT技術(shù)的有效性和優(yōu)缺點(diǎn)。分析結(jié)論對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇MPPT算法具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：MPPT；定電壓跟蹤法；擾動(dòng)觀測(cè)法；電導(dǎo)增量法

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）29-0257-03

當(dāng)今世界正迅速地從工業(yè)化社會(huì)向低碳社會(huì)轉(zhuǎn)化，能源利用正向可持續(xù)發(fā)展方向轉(zhuǎn)變，因此發(fā)展綠色能源成為趨勢(shì)。太陽(yáng)能光伏發(fā)電由于其可再生性、清潔性等特點(diǎn)，正在發(fā)展為全世界綠色能源組成中的重要部分。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）技術(shù)是光伏發(fā)電高效利用的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)MPPT技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)通用綜合性技術(shù)，涉及光伏陣列建模、優(yōu)化技術(shù)、電力電子變換技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)等。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，普遍采用MPPT技術(shù)，以求高效利用太陽(yáng)能。

1變換器主電路

為了便于比較各種MPPT算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文建立統(tǒng)一的光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，如圖1所示，采用Boost變換器、電阻性負(fù)載。為了便于分析幾種MPPT算法最大功率跟蹤的效率，Boost變換器中器件均采用理想器件。

2光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

2.1定電壓跟蹤法

定電壓跟蹤（Constant Voltage Tracking，CVT）法是最早出現(xiàn)的光伏功率輸出控制算法。在輻照度大于一定值并且溫度變化不大時(shí)，光伏電池的輸出最大功率時(shí)其輸出電壓在某一值附近，只要控制光伏電池輸出電壓在該電壓處，即可控制太陽(yáng)能電池板輸出最大功率。

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，光伏電池最大功率點(diǎn)電壓u。與光伏電池的開(kāi)路電壓U_oc之間存在近似的線性關(guān)系，即

U_mpp≈k_1oc （1）

其中，式1系數(shù)k₁的值取決于光伏電池的特性，一般取值大約在0.8左右。

CVT算法采用PI控制器，給定值U_mpp、太陽(yáng)能光伏電池的輸出電壓U_pv與PI調(diào)節(jié)器之間的關(guān)系如圖2所示。

2.2擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法（Perturbation and Observation method，P&O）是目前最常用、也是研究最多的一種MPPT方法。其工作原理是：先讓光伏電池工作于一給定電壓點(diǎn)上，隨后周期性地、微小定量地增加或減少光伏電池的輸出電壓△U或△I（擾動(dòng)），根據(jù)擾動(dòng)量的變化的方向及光伏電池輸出功率變化方向，再?zèng)Q定下一步擾動(dòng)量的變化的方向。以此不斷尋找、逼近光伏電池的最大功率點(diǎn)。

本文光伏發(fā)電系統(tǒng)的變換器采用Boost變換器，將太陽(yáng)能電池的擾動(dòng)量由電壓△U或△I改換為變換器開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通占空比擾動(dòng)量AD，依據(jù)Boost的工作原理，擾動(dòng)觀測(cè)法的算法原理流程如圖3所示。

2.3電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法（Incremental Conductance，INC）從光伏電池輸出功率隨輸出電壓變化率而變化的規(guī)律出發(fā)，提出的MPPT算法。

光伏電池的功率電壓（P-U）曲線可以看成一個(gè)單峰值的曲線，在最大功率點(diǎn)出dP/dU=0。光伏電池的瞬時(shí)輸出功率為

P=-IU （2）

將式（2）兩邊對(duì)光伏電池的輸出電壓u求導(dǎo)，則

（3）

當(dāng)dP/dU=0時(shí)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大，則可以推導(dǎo)出工作點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)時(shí)需要滿足以下關(guān)系

（3）

實(shí)際中以△I/△U近似代替dI/dU，則使用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)判據(jù)為

（4）依據(jù)Boost的工作原理，INC的算法原理流程如圖4所示。

3仿真分析

為了驗(yàn)證CVT、P&O和INC等MPPT算法有效性及跟蹤效率，仿真時(shí)設(shè)置了太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化及環(huán)境溫度變化時(shí)太陽(yáng)能電池最大功率輸出跟蹤效果。其他仿真參數(shù)為：仿真時(shí)間步長(zhǎng)10^-6s，采樣時(shí)間步長(zhǎng)10^-4s，開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率50kHz，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比擾動(dòng)步長(zhǎng)為0.001。

CVT、P&O及INC等MPPT算法借助Visual C++編程生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件及PSIM的DLL模塊實(shí)現(xiàn)，PSIM的DLL模塊如圖5所示。

圖6、圖7、圖8分別為CVT、P&O和INC算法在25℃時(shí)功率跟蹤波形圖。

圖9、圖10、圖11分別為CVT、P&O和INC算法在35℃時(shí)功率跟蹤波形圖。

4結(jié)束語(yǔ)

由以上仿真波形可知，CVT法實(shí)際上是一種開(kāi)環(huán)的MPPT算法，控制簡(jiǎn)單快速，但是由于忽略了溫度對(duì)光伏電池輸出電壓的影響，因此溫差越大，跟蹤最大功率點(diǎn)的誤差也越大。P&O和INC算法跟蹤最大功率點(diǎn)均不存在溫度影響，P&O具有控制概念清晰、簡(jiǎn)單、被測(cè)參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)，但P&O法中電壓初始值及擾動(dòng)占空比（擾動(dòng)電壓）步長(zhǎng)對(duì)跟蹤精度和速度有較大影響，且存在跟蹤振蕩問(wèn)題；INC算法控制精度高、響應(yīng)速度快，光伏電池輸出電壓能夠以較平穩(wěn)的方式跟蹤變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩比P&O小，其缺點(diǎn)是對(duì)控制系統(tǒng)的硬件（如傳感器的精度等）要求比較高。