魯貽龍，王斌，陳丹平

（1.荊門市供電公司，湖北 荊門 448000；2.武漢科技大學(xué)，湖北武漢 430074；3.三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443002）

太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的一種重要形式，是解決日益突出的能源危機(jī)和環(huán)境問題的重要途徑，其采用太陽電池將光能轉(zhuǎn)換為電能的方式，而且隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電有可能是最具發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。

1 太陽能電池的模型及其輸出特性

光伏電池是應(yīng)用半導(dǎo)體硅材料的光電效應(yīng)將輻射到光伏電池表面的太陽能轉(zhuǎn)化成電能[8-9]。其發(fā)電原理等效電路如下圖1所示。

圖1 光伏電池機(jī)理等效電路圖Fig.1 Mechanism equivalent circuit of the PV cell

根據(jù)等效電路圖得到其數(shù)學(xué)方程為：

其中各參數(shù)的物理意義如表1所示。

表1 光伏電池等效數(shù)學(xué)方程各符號(hào)說明Tab.1 The symbols explanation of the mathematical equation in the PV cell

從光伏電池的工作特性方程可以看出光伏電池既不是恒壓源，也不是恒流源，其要受到很多參數(shù)和外部環(huán)境的影響，一般情況下生產(chǎn)太陽能電池的廠家提供的特性參數(shù)主要有：最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流（Im），最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓（Vm），短路電流（Isc），開路電壓（Voc）。光伏電池在不同溫度和不同光照下的輸出特性曲線如圖2所示。

由光伏特性曲線看出，溫度主要影響光伏電池的開路電壓，光照強(qiáng)度主要影響光伏陣列的短路電流，光伏陣列在每一時(shí)刻都可以有很多種工作曲線，由于在實(shí)際使用中不能保證負(fù)載時(shí)刻都工作在最大功率點(diǎn)上，因此，需要在光伏電池和負(fù)載之間加入MPPT控制裝置，保證光伏電池的最大功率輸出，實(shí)現(xiàn)太陽能資源的最大化利用。

2 改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

圖2 光伏電池在不同外部環(huán)境下的輸出特性曲線Fig.2 Output characteristic curve of the PV cell in different external environments

擾動(dòng)觀察法是通過不斷的改變輸出電壓，然后檢測(cè)輸出功率，將此時(shí)的功率與前一時(shí)刻的功率值進(jìn)行比較，如果此時(shí)刻的功率增大，則說明擾動(dòng)是朝著功率增大的方向進(jìn)行，則應(yīng)該保持原方向繼續(xù)擾動(dòng)；如果此時(shí)的功率小于前一時(shí)刻的，則說明擾動(dòng)方向相反，則應(yīng)該向反方向擾動(dòng)。如此反復(fù)擾動(dòng)和比較，直到跟蹤到最大功率點(diǎn)，停止擾動(dòng)。這一方法的思想簡(jiǎn)單，但如此反復(fù)擾動(dòng)和判斷就有可能導(dǎo)致在最大功率左右不停的振蕩[12-13]。鑒于此，本文在已有擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。

其中的擾動(dòng)步長(zhǎng)系數(shù)d值根據(jù)dP的大小按以下原則選取：

圖3 改進(jìn)擾動(dòng)觀察法流程圖Fig.3 Flowchart of P&O method

由原理可以看出，改進(jìn)擾動(dòng)觀察法是通過離最大功率點(diǎn)的遠(yuǎn)近，不斷適時(shí)地調(diào)整步長(zhǎng)，當(dāng)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)采用一個(gè)較大的擾動(dòng)步長(zhǎng)系數(shù)，來快速接近最大功率點(diǎn)；當(dāng)離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，采用一個(gè)較小的擾動(dòng)步長(zhǎng)系數(shù)，來微調(diào)到最大功率點(diǎn)；當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)，采用一個(gè)0步長(zhǎng)來讓系統(tǒng)穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)，防止系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近震蕩。

3 仿真分析

本文選取無錫尚德的光伏電池STP175S224/Ac[14]，其主要技術(shù)參數(shù)為：Voc=44．2 V，Vm=35．2 V，Isc=5．2 A，Im=4．95 A。在matlab中搭建系統(tǒng)仿真模型。

首先對(duì)常規(guī)定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真分析，圖4a、4b分別為較大步長(zhǎng)和較小步長(zhǎng)的定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法在標(biāo)準(zhǔn)條件（溫度T=25℃，光照S=1000 W/m）2下的仿真波形。

由仿真分析圖4可見，當(dāng)步長(zhǎng)選取較大（如文中的0．01），系統(tǒng)能較快達(dá)到最大功率點(diǎn)，但卻在最大功率點(diǎn)附近上下震蕩，穩(wěn)定性能差；而當(dāng)選取較小步長(zhǎng)（如文中的0．005），雖然系統(tǒng)達(dá)到最大功率點(diǎn)后幾乎沒有震蕩，但是跟蹤過程緩慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。上述仿真波形圖，說明了定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法單一的步長(zhǎng)無法同時(shí)兼顧系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

圖4 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法仿真波形Fig.4 Simulative waveforms of fixed step P&O method

圖5（b）、5（c）可以看出，雖然變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法可以很快的追蹤到最大功率點(diǎn)，也能很好地適應(yīng)外部環(huán)境的變化，但是在最大功率點(diǎn)附近存在明顯的震蕩。

從圖6（b）仿真波形可以看出，改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法能較快的跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且在最大功率點(diǎn)附近沒有震蕩，能夠穩(wěn)定的輸出。

圖6（c）為外部環(huán)境變化：設(shè)置初始的光照條件為800 W/m2，溫度為60 ℃，當(dāng)運(yùn)行到0．2 s時(shí)光照條件變?yōu)?000 W/m2，溫度不變；接下來在0．35 s時(shí)，溫度由60℃變化25℃，光照條件不變，系統(tǒng)輸出曲線，可以看出當(dāng)外部環(huán)境改變時(shí)，改進(jìn)擾動(dòng)觀察法也能快速、平穩(wěn)的追蹤到最大功率，具有較強(qiáng)的適應(yīng)外部環(huán)境變化的能力。

4 結(jié)論

圖5 以作為控制變量時(shí)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法仿真波形圖Fig.5 Simulative waveforms of variable step P&O method with as the controlled value

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圖6 以d 為控制變量時(shí)的變步長(zhǎng)Fig.6 Simulative waveforms of variable step P&O method with as the controlled

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