浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王堅(jiān)鋒

基于擾動(dòng)法的MPPT光伏系統(tǒng)研究

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王堅(jiān)鋒

對(duì)光伏電池模型進(jìn)行分析，并根據(jù)光伏電池功率輸出的特性，提出基于最大功率追蹤法控制光伏系統(tǒng)必要性。設(shè)計(jì)了改進(jìn)的擾動(dòng)法，給出了系統(tǒng)的控制流程。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，結(jié)果顯示改進(jìn)的擾動(dòng)法MPPT光伏控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定性好，功耗低。

光伏系統(tǒng)；MPPT；擾動(dòng)法

0 引言

目前，傳統(tǒng)能源枯竭嚴(yán)重，發(fā)展太陽能等新型綠色能源是國(guó)家能源戰(zhàn)略的方向。目前，對(duì)太陽能利用的辦法，主要途徑有光伏太陽能發(fā)電。太陽能的功率輸出受到氣象因數(shù)的影響非常大。太陽能的輸出功率是隨時(shí)變化的，追蹤太陽能的最大功率輸出，對(duì)太陽能進(jìn)行有效利用意義重大。

MPPT算法主要有恒定電壓法，擾動(dòng)法和電導(dǎo)增量法等。恒定電壓控制法控制相對(duì)簡(jiǎn)單，但是MPPT控制的精度比較低。電導(dǎo)增量法的控制效果好，但是控制比較復(fù)雜，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度大。相對(duì)而言，擾動(dòng)法的控制思想成熟，實(shí)現(xiàn)方便，而且對(duì)系統(tǒng)的利用率較高，工程實(shí)用性強(qiáng)。本文提出一種基于改進(jìn)擾動(dòng)法的MPPT光伏系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，該方案能夠較好的跟蹤最大功率，并且跟蹤速度快。

1 光伏模型建立

圖1是光伏電池的物理模型。光伏電池的輸出特性曲線隨著溫度和照度的改變而變化。光照產(chǎn)生的電流IL主要取決于光照強(qiáng)度的影響,不受外接負(fù)載大小影響,可以等效為電流源。電流在負(fù)載RL上產(chǎn)生U的壓降，同時(shí)U通過二極管產(chǎn)生大小為Id的電流。用電阻Rs表示光伏電池內(nèi)阻。由于電池邊沿的漏電及制作金屬電極時(shí)在電池的微裂紋、劃痕等處形成金屬橋漏電等，使一部分電流被短路，可通過并聯(lián)等效電阻Rsh表示[1]。

圖1 光伏電池的電路模型

其輸出特征方程[2-3]：其中，I為電池輸出電流；U為電池輸出電壓；IO為反向飽和電流。

通過太陽能光伏電池的物理模型及其等效物理特征方程，根據(jù)其電流電壓間的相互關(guān)系可以獲得U-I特征曲線。圖2為太陽照度1000瓦每平方米，T為25攝氏度的I、P和U關(guān)系曲線。

圖2 光伏電池U-I和U-P特性曲線

光伏電池的輸出主要受到溫度和光照強(qiáng)度兩個(gè)因數(shù)的影響。圖3和圖4分別描述了光照強(qiáng)度對(duì)U-I和U-P曲線的影響，可以看出光照強(qiáng)度的變化不會(huì)引起U-I和U-P曲線形狀的太對(duì)變化。

圖3 光照強(qiáng)度對(duì)U-I曲線的影響

圖4 光照強(qiáng)度對(duì)U-P曲線的影響

圖5 和圖6分別描述了溫度對(duì)U-I和U-P曲線的影響，當(dāng)溫度升高時(shí)，U-I特性曲線左偏，相當(dāng)于電壓值減少；功率曲線也會(huì)發(fā)生左偏，并且最大功率點(diǎn)明顯下降。

圖5 溫度對(duì)U-I曲線的影響

圖6 溫度對(duì)U-P曲線的影響

通過對(duì)光伏電池輸出特性的分析可知，光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度對(duì)光伏電池的輸出特性都會(huì)產(chǎn)生影響。通過U-P曲線可以看出，最大功率點(diǎn)在U的中間值部分，兩頭則功率都會(huì)相應(yīng)的減少。所以為了輸出功率最大化，必須使得輸出電壓在某一較大值區(qū)間，還要綜合考慮電流的輸出要在較大值。所以，光伏電池的最大功率輸出是一個(gè)點(diǎn)，為了有效利用光伏電池的能源，必須對(duì)光伏系統(tǒng)采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制。

2 擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)法通過給定一個(gè)擾動(dòng)觀察輸出值變化，并且根據(jù)變化值來逐步逼近最優(yōu)值，是工程上比較能夠可靠實(shí)現(xiàn)的辦法。開始的先對(duì)電流和電壓進(jìn)行采樣，并且計(jì)算出功率和電壓的變化量，判斷如果功率變化量△P超過了設(shè)定步幅寬度Pth,則采用寬步幅VSTP2，否則采用正常步幅VSTP1，相當(dāng)于，當(dāng)功率變化量較大的時(shí)候，采用寬步幅，而當(dāng)功率變化量較小時(shí)，采用正常步幅。通過增加一種步幅，改進(jìn)擾動(dòng)的較大的提高了逼近的速度，并且可以降低功耗。圖 7為擾動(dòng)法的計(jì)算機(jī)程序控制流程。

圖7 擾動(dòng)法改進(jìn)后的控制流程圖

3 建模仿真

設(shè)計(jì)光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。利用 Matlab/Simulink 建立仿真模型。仿真模型的參數(shù)：L=8mH，光伏整列輸出端電容47μF（CPV），負(fù)載端電容1000μF（Cdc），負(fù)載為純阻性負(fù)載 R=80， PI 控制的比例放大倍數(shù)為 P=4，脈寬調(diào)試頻率f=5kHz，積分環(huán)節(jié)參數(shù)P=20。 仿真結(jié)果如圖8，在圖中1.5s時(shí)刻，對(duì)電壓值進(jìn)行突變，來觀察擾動(dòng)法的控制效果。擾動(dòng)法經(jīng)過改進(jìn)后步長(zhǎng)優(yōu)化為 Vstp1=10mV 和 Vstp2=2mV。由仿真結(jié)果可以看出，通過改進(jìn)的擾動(dòng)法一定程度上能夠增加尋優(yōu)速度，功率波動(dòng)較少，損耗也較少。

圖8 光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖9 仿真結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏系統(tǒng)建模進(jìn)行了分析，并根據(jù)光伏系統(tǒng)的特點(diǎn)，闡述基于MPPT算法對(duì)光伏系統(tǒng)控制的必要性。設(shè)計(jì)了光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并采用改進(jìn)的擾動(dòng)法最大功率追蹤控制算法進(jìn)行控制。采用MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果顯示改進(jìn)的擾動(dòng)法在追蹤速率方面有所提高，系統(tǒng)功耗有所下降。

[1]吳春華．光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)研究[D]．上海大學(xué)博士論文,2008．

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王堅(jiān)鋒（1983—），男，浙江泰順人，講師，現(xiàn)供職于浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程分院。