光伏发电系统最大功率跟踪控制研究范文

光伏电池是光伏发电系统的核心部分，由于光伏电池受光照强度及温度变化的影响很大，其输出特性呈现高度非线性化，所以，当外界环境发生变化时，光伏电池的输出功率也会随之发生改变。为了有效提高光伏发电系统的效率，要求无论外界条件怎样变化，光伏发电系统的输出功率应始终保持最大值。为了解决这一问题，本文分析了光伏电池输出特性及等效模型，提出最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）控制算法，并基于Matlab/Simulink的电导增量法建立MPPT仿真模型对其科学性、有效性加以验证。

1光伏电池输出特性及等效模型

光伏电池单体是实现光电转换的最小单元，将光伏电池单体进行串联、并联后分装就组成了光伏电池组件，把若干个光伏电池组件进行串联、并联后装在支架上就形成了光伏电池阵列［1］。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其输出特性受外界环境影响很大，只有深入了解其输出特性，才能为研究光伏发电系统的MPPT技术奠定基础。

1.1光伏电池输出特性光伏电池受外界环境如光照强度、温度的影响很大，其输出特性具有高度非线性。分别是利用PVsyst软件［2］仿真的光伏电池在不同光照及温度条件下的输出特性。从图中可以看出，随着光照的增强输出功率增大，随着温度的升高输出功率减小，但在某一特定光照及温度下存在一个最大功率点。

1.2光伏电池等效模型光伏电池本身就是一个P-N结，其基本特性与二极管相似。当光伏电池受到阳光照射时，在PN结两端便产生电动势，即电压。这时如果在P型层和N型层焊接上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，把这样的光伏电池单体串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率。光伏电池等效电路可由1个电流源并联1个理想二极管及一系列电阻组成，如图3所示。串联电阻Rs包括电池栅极电阻、基体材料电阻和上下电基与基体材料的接触电阻、扩散层横向电阻。其中，扩散层横向电阻是Rs的主要组成。

2MPPT控制算法

由图1、图2可以看出，光伏阵列的输出特性受电池表面温度和光照强度的影响很大，不同的光照及电池温度都可导致输出特性发生较大的变化，其输出功率也发生相应的变化，但是只有在某一输出电压值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近［4］。在MPPT系统中，确定优良的算法是关键，本文采用电导增量算法。电导增量法是根据光伏阵列P-U曲线一阶连续可导单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法，即对P=UI求全导数。从光伏电池的P-U曲线可以看出，在某一特定光照及温度下存在唯一最大功率点，且在该最大功率点处，功率对电压的导数为零，即dP/dU=0。其中，U（k）、（Ik）分别为光伏电池当前电压和电流，U（k-1）、（Ik-1）为前一周期的采样值。为了使光伏电池输出发生任何变化时，算法能够涵盖所有可能出现的状况，需要用U（k-1）、I（k-1）的值进行判断。如果U（k）-U（k-1）=0，则相比于前一周期，该时刻的电压是恒定的，输出没有发生变化。在这种情况下，需要对输出电流做进一步判断，如果（Ik）-（Ik-1）=0，则光伏电池的输出也没有发生改变，不需要调整BoostDC/DC（升压）变换器的占空比；若（Ik）-I（k-1）<0，表明工作点是向最大功率点方向靠近，需要对BoostDC/DC变换器的占空比加一个正的调节量△U，使输出达到最大功率点；若I（k）-I（k-1）>0，需对BoostDC/DC变换器的占空比加一个负的调节量-ΔU，使输出朝向最大功率点靠近。

3MPPT控制仿真研究

3.1带有MPPT功能的光伏发电系统基本组成由于光伏电池的电气特性受光照、温度的影响很大，当环境条件稳定时，存在唯一的最大功率点；当环境条件发生变化时，即使负载保持不变，最大功率点仍将发生漂移。为了使负载在任何环境条件下都能获得最大功率，本文在光伏阵列与负载之间加入MPPT控制装置，带有MPPT功能的光伏系统如图5所示。该系统主要由光伏电池阵列、MPPT控制装置、BoostDC/DC变换器组成，通过脉冲宽度调制模块（PulseWidthModulation，PWM）控制，调整BoostDC/DC变换器的占空比来实现MPPT［7］。

3.2MPPT控制仿真研究

3.2.1带MPPT的系统仿真模型根据带有MPPT功能的光伏发电系统建立matlab/simulink仿真模型如图6所示。仿真模型主要由光伏电池阵列模型、MPPT、PWM、BoostDC/DC变换器以及负载等组成。图6中，Subsystem是光伏电池阵列模型，L为储能电感，Diode为快恢复二极管，C1为滤波电容，R为负载，IGBT为绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）。Subsystem内部封装的参数有电压、电流温度系数、串联电阻、参考温度（25℃）、参考太阳辐射（1000W/m2）、最大功率点电压、最大功率点电流、开路电压、短路电流。输入参数有光照S、温度T、光伏电池工作电压U，输出参数有光伏电池工作电流I、输出功率P。其中，输入端可以输入任意光照和温度，输出端P即显示MPPT输出。PWM的输入信号为带有MPPT功能的光伏模块的输出电压，即最大功率点对应的电压值，将该电压作为指令信号，与光伏模块的实际输出电压共同作用在BoostDC/DC变换器的IGBT上，通过改变IGBT的占空比，从而使光伏模块的实际输出电压很好地跟踪指令信号，即最大功率点对应的电压值。BoostDC/DC变换器利用储能电感储存的能量和电源一起向负载供电，达到升压的目的。选择HAMC制造的太阳能电池板进行仿真实验，其技术指标为：Um=16.5V，Im=0.73A，Uov=22.50V，Isc=0.97A，Pm=12W。仿真时采用的步长为0.01，系统采样时间为0.5μs。图7是电池温度不变，光照强度t=0.05s时，突然由1kW/m2增加到1.5kW/m2时的仿真结果，图8是光照强度不变，电池温度t=0.05s时，突然由25℃变为60℃时的仿真结果。

3.2.2仿真结果分析从图7仿真结果可以看出，当电池温度不变，光照由1kW/m2增加到1.5kW/m2，在t=0.05s时，光伏阵列输出功率也随之由12kW增加到15kW，增加幅度为+3kW，光伏阵列输出功率曲线会发生较小的突变，但是在新的功率点能快速趋于平稳，使光伏阵列工作在最大功率点。从图8仿真结果可以看出，当光照强度不变，电池温度由25℃变为60℃，在t=0.05s时，光伏阵列输出功率也随之由12kW降低到10kW，降低幅度为-2kW，经过较小的突变后，系统也能及时地跟踪到最大功率点，使光伏阵列输出功率达到最大值。从图1、图2中得出，光伏电池在某一特定光照及温度条件下，存在一个最大功率点，并且在最大功率点以后，光伏电池输出功率急剧下降，最后下降为0。本文在光伏阵列与负载之间加入基于电导增量法的MPPT控制装置以后，从图7、图8的仿真结果可以看出，在光照、温度其中任何一个环境条件发生变化时，系统都能够实时地跟踪其变化，能使系统始终工作在最大功率点的范围内，稳定性高，从而有效提高了太阳能的转换效率。

4实用化应用探讨

在实际光伏发电系统中，在输出参数实时变化的光伏阵列与负载之间接入MPPT控制装置时，需要进一步做以下工作：（1）采用单片机或数字信号处理器（DigitalSignalProcessors，DSP）实现对电导增量算法的编程，并进行MPPT控制系统的软、硬件设计。通过检测光伏阵列的输出电压、输出电流变化，利用软件的精确算法来控制BoostDC/DC变换器的占空比，实现MPPT。（2）从光伏发电系统的整体出发，综合考虑安全性、实用性、经济性等方面的要求，设计MPPT控制系统的输入、输出接口电路，对其可靠性、稳定性做并网测试。（3）综合考虑光伏阵列的光电转化效率、温度范围、电气参数（输出功率、峰值电压、峰值电流、短路电流、开路电压、系统电压）等技术参数，对光伏电池充放电策略及充放电控制器做进一步研究。

5结论

（1）本文提出的基于电导增量法MPPT控制方法，通过PWM控制实现，能使光伏发电系统在任何环境条件以及负载变化情况下快速实现MPPT，且稳态精度高。（2）本文采用PVsyst软件对光伏电池的输出特性进行仿真研究，其方法为相关行业掌握光伏电池的输出特性提供了新的途径；建立基于电导增量法的MPPT控制模型，为解决实际光伏系统最大功率点漂移问题提供了理论依据。（3）下一步研究需要利用单片机或DSP进行MPPT控制系统的软、硬件及接口电路设计，并对其可靠性、稳定性做并网测试，以实现光伏发电系统MPPT的实用化。

作者：韩世军 朱菊 毛吉贵 强荣 秦力 韩大侠 单位：国网宁夏电力公司吴忠供电公司 神华宁煤集团烯烃公司