陳仁輝 胡治宇

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 吉林長春 130012）

基于限幅變壓跟蹤法光伏發(fā)電MPPT的研究

陳仁輝 胡治宇

（長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 吉林長春 130012）

對于光伏發(fā)電最大功率點跟蹤一直是一個重要的研究方向，基于PSIM建立了恒壓跟蹤法光伏發(fā)電MPPT的仿真模型。通過仿真分析，恒壓跟蹤法不能有效的實現(xiàn)最大功率點跟蹤，并在此基礎(chǔ)上建立了變壓跟蹤法光伏發(fā)電MPPT的仿真模型；通過仿真驗證，此方法具有更好的MPPT效果，并且控制方法簡單易于實現(xiàn)，具有很高的工程實用性。

最大功率點 恒壓跟蹤法 限幅變壓跟蹤法

引言

太陽能光伏發(fā)電屬于可再生清潔能源，隨著不可再生能源的日益耗盡，太陽能光伏發(fā)電在未來必將成為世界能源的主要部分[1-3]。光伏發(fā)電系統(tǒng)存在著光伏組件轉(zhuǎn)化效率低的問題，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光伏組件的轉(zhuǎn)化效率也在不斷的提高，如2014年德國弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所和法國Soitec公司合作研發(fā)的多結(jié)太陽能光伏電池片轉(zhuǎn)化效率又創(chuàng)新的紀錄，轉(zhuǎn)化效率可達46%。在一定的轉(zhuǎn)化效率下，如何使光伏電池得到充分的利用，即實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤（MPPT），一直是光伏發(fā)電系統(tǒng)的一個重要研究課題。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤的實現(xiàn)，現(xiàn)有的的跟蹤方法主要有：恒電壓跟蹤法、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法、最有梯度法等[4-7]。每種方法都存在著一定的優(yōu)缺點，本文主要基于變壓跟蹤法對光伏發(fā)電MPPT的研究。

1 最大功率點受外界因素影響

通過光伏電池的數(shù)學(xué)模型可知，光伏電池的輸出特性和光伏電池工作的環(huán)境有關(guān)，包括光照強度、溫度、濕度等[8]，負載的變化也會引起光伏電池輸出特性的變化。光照強度和溫度對光伏電池的輸出特性影響很大，如圖1所示。

通過光輸出特性曲線可知，在一定的光照和溫度條件下，光伏電池工作存在著一個最大功率輸出點（電壓和電流乘積最大點），在該點左側(cè)，最大輸出功率隨電壓的增大而增大，在該點的右側(cè)，最大輸出功率隨電壓的增大而減小，因此對光伏電池的輸出功率而言，存在著一個最大輸出功率時的工作電壓。本文的研究是在不同的光照和溫度條件下，對光伏電池最大功率輸出時所對應(yīng)的工作電壓進行跟蹤，從而實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤。

圖1 不同環(huán)境條件下光伏電池I–V特性

2 恒壓跟蹤法

光伏電池的I–V特性曲線如圖1所示，在一定的光照條件下，光伏電池最大功率點所對應(yīng)的工作電壓近似一恒定值，通過在不同光照條件下的給定電壓Uref，使光伏電池輸出電壓跟隨設(shè)定電壓，從而實現(xiàn)最大功率點跟蹤。如圖2所示，基于PSIM在Boost電路中建立的恒電壓跟蹤法[9,10]實現(xiàn)光伏電池MPPT的仿真模型，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 恒壓法最大功率點跟蹤仿真模型

恒電壓跟蹤法對光伏發(fā)電的功率電壓跟蹤曲線如圖3所示，通過仿真結(jié)果可知，如果所選定的Uref不確切，則不能很好的實現(xiàn)對光伏發(fā)電的MPPT功能。

圖3 仿真模型的動態(tài)輸出特性

3 無限幅功能的變壓跟蹤法

基于恒電壓跟蹤法的缺點，在此建立了變壓跟蹤法，即Uref不是恒定值，而是實時最大功率點所對應(yīng)的電壓值，通過讓光伏電池輸出電壓跟蹤變化的“給定電壓”Uref，從而實現(xiàn)最大功率點跟綜。圖4是基于PSIM建立的變壓跟蹤法實現(xiàn)光伏發(fā)電MPPT的仿真模型，通過一個可編程DLL可編程模塊實現(xiàn)最大功率點電壓的判斷，進而控制光伏電池輸出電壓Uo跟蹤變化的Uref，從而實現(xiàn)光伏電池的最大功率點跟蹤，變壓控制流程圖如圖5所示。

圖4 變壓法最大功率點跟蹤仿真模型

選定?U后，對模型進行仿真驗證，仿真結(jié)果如圖6所示。通過仿真結(jié)果可見，無限幅變壓跟蹤法能夠在一定程度上實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的MPPT功能，但當光照強度劇烈變化而與?U的值不匹配，則會出現(xiàn)誤判，有時甚至出現(xiàn)變化的Uref崩潰的現(xiàn)象,如圖7所示。

圖5 變壓法控制流程圖1

圖6仿真模型的動態(tài)輸出特性

圖7 仿真模型的動態(tài)輸出特性

4 限幅變壓跟蹤

針對無限幅功能的變壓跟蹤方法所存在的缺陷，對以上的方法進行了改進，采用了限幅功能，從而避免Uref崩潰的現(xiàn)象，限幅跟蹤法的控制流程如圖8所示。

按照限幅跟蹤法的控制流程圖完成程序的編寫，仿真過程變化曲線及跟蹤過程動態(tài)數(shù)據(jù)如圖9、圖10所示。通過仿真結(jié)果可見，在光照、溫度都發(fā)生劇烈變化時，限幅變壓跟蹤法能夠使光伏電池輸出電壓跟蹤Uref，輸出功率跟蹤光伏電池的最大功率，并且跟蹤過程中波動小，從而較好的實現(xiàn)對光光伏電池的MPPT功能。

圖8 變壓法控制流程圖2

圖9 仿真模型的動態(tài)輸出特性

圖10 仿真模型的動態(tài)輸出數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

首先是基于PSIM建模進行仿真研究，并已應(yīng)用于光伏充電控制器中進行了驗證，在光照強度和溫度都發(fā)生劇烈變化時（如圖9所示），限幅變壓跟蹤法能很好的實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT功能。此方法比較簡單，易于實現(xiàn)，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有較高的工程實用性。

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