光伏最大功率跟踪的自适应电压控制仿真研究

赵颖

（厦门海洋职业技术学院 机电工程系，福建 厦门 361012）

光伏最大功率跟踪的自适应电压控制仿真研究

赵颖

（厦门海洋职业技术学院 机电工程系，福建 厦门 361012）

论文介绍了光伏电池数学模型，在此基础上用Matlab 7.4环境下的Simulink工具搭建仿真模型，并提出电压自适应法的最大功率跟踪（MPPT）的方法，与传统固定步长的扰动法的仿真相比较，证明了电压自适应法的光伏最大功率跟踪有响应速度快，结果准确等优点。

光伏电池；模型；MPPT；电压自适应法；simulink仿真

0 引言

太阳能是一种发展迅速的可再生能源，光伏发电作为太阳能的一种利用方式，由于具有保护气候、改善环境、节省空间、增加就业和提供边远地区电力等优点，近年来受到越来越多国家的重视。2000～2007年间，全球光伏系统及其组件累计装机容量年复合增长率达到30.83%，全球的光伏业产值达172亿美元，其增长态势迅猛。但是由于温度和光照对光伏电池的影响，导致光伏系统的输出功率具有波动性和随机性，对系统最大功率的跟踪就很必要了，最大功率跟踪方法有恒压法，扰动法，电导增量法等，由于扰动法结构简单，被测参数少等优点被广泛应用，而传统的扰动法存在着一个缺点，即步长固定，如果步长过小，就会导致光伏阵列长时间地滞留在低功率输出区；如果步长过大，就会导致系统振荡加剧。针对这一缺点本文给出了一种自适应变步长扰动法。当距离最大功率点较远时，步长取大，速度加快；当距离最大功率点较近时，步长取小，慢慢接近最大功率点；当很接近最大功率点时，系统稳定在该点工作。

1 光伏电池模型

1.1 光伏电池特性

典型光伏电池输出功率随光强和环境温度变化的特性曲线如图1所示，图1（a）为不同光照强度下的特性曲线，图1（b）为不同环境温度下的特性曲线，由图1可以看出，光伏阵列的输出与光强和环境是高非线性度的。

图1 典型光伏特性曲线Fig.1 Character curve of PV array

1.2 光伏电池特性数学模型

本文在Matlab下建立光伏模型的数学公式[1]：设T为任意温度Ta（℃）和任意的光照强度S（W/m2）下的太阳能电池温度：

式中： t（℃·m2/W）为光伏模块的温度系数，本文中取0.005。设在参考条件（Sref=1000W/m2，Tref=25℃）下，Isc—短路电流；Uoc—开路电压，Im、Um—最大功率点电流和电压U，则当光伏阵列电压为U，其对应点电流为I：

式中：α—在参考日照下,电流变化温度系数（A/℃）；β—在参考日照下,电压变化温度系数 （V/℃）；R—光伏阵列模块的内阻。

1.3 光伏阵列的仿真模型

基于上述数学模型，在Matlab环境下利用Simulink工具建立的仿真模块直观，方便，只需将模块连接起来即可，太阳能电池任意环境温度和光照强度下的仿真模块[2,3]如图2所示。本文采用的电池板为HG55(18)D826×532，其标准条件下（S=1000W/m2，T=25℃）的参数如下：UOC=21.6V，Um=17.2V，ISC=3.41A，Im=3.19A，α=0.015，β= 0.7，R=2Ω。

图2 光伏阵列Fig.2 PV array

2 最大功率跟踪的Simulink建模

太阳能的最大功率跟踪是为了对太阳能的充分利用，基于上述光伏阵列模块进行的MPPT的动态仿真如图3所示的太阳能系统的仿真模型[4]，该模型是一个动态的、完整的系统模型，可以描述太阳电池的负载、工作环境等变化时的工作情况，适合于对太阳电池最大功率点控制的研究。为了简化图像，便于仿真研究，将它封装成为子系统，图中的PV array为光伏阵列的封装模块，PWM模块为输出占空比的控制电路，变换环节是通过控制电压的方法将不可控的直流输入变为可控的直流输出的一种变换电路，在太阳能发电中，变换器的作用是从太阳能方阵中吸收最大电流并且提升电压。本文转换采用 Boost电路，其中开关频率为 20KHz，C1= 100μF，C2=156μF，L=78μH，负载为R=5Ω。最大功率跟踪过程中，采用可变步长的仿真，最小步长与最大步长自动调节，相对误差允许范围为1×10-3，绝对误差范围自动调节，测量负载端的电流和电压，根据功率的变化大小确定电压的扰动方向及其步长，电压环实现对电压的实时跟踪，移动操作点向MPPT靠近，同时计算升压变换器所需要的占空比，并将占空比输入给场效应管，从而调节场效应管的导通时间，如此反复，从而实现对最大功率的跟踪。

图3 光伏系统的MPPT仿真模型Fig.3 MPPT simulating model of photovoltaic system

在MPPT扰动过程中，如果扰动步长太大，则跟踪最大电压点速度快，但有可能不能准确跟踪或者在最大点稳态附近有振荡情况，而这些振荡将降低光伏阵列能量转换效率。如果步长太小，最大点附近振荡会减小，增大光伏阵列能量转换效率，但响应速度慢，当环境条件变化快时有可能偏离最大功率点。因此，合理设置扰动步长对于跟踪最大功率点的快速、准确性有决定性作用。为了避免上述情况，这里采用自适应变步长方法。MPPT的设计思想是由△Pk确定扰动的大小和方向，控制原理采用令△Pmax为设定的最大误差值，△Pmin为设定的较小误差值。若△Pk的值大于零，则向同方向搜索，若△Pk小于零，则向反方向搜索；若△Pk的绝对值小于△Pmin，则搜索步长参数较大，若△Pk的绝对值介于设置的最大步长和最小步长参数之间，则步长参数选择最小，如果△Pk的绝对值大于设置的最大步长值，则选择的步长参数最大，即电压的变化跟随这功率变化值的变化而准确变化。则在电压扰动过程中，若△Pk→0时，α｜Pk-Pk-1｜→0，则△V→0，因此电压基本保持在前一时刻的值，有很小的变化，因此系统稳定运行时，在最大点附近振荡很小；相反△Pk较大时，α增大，保证快速跟踪到最大功率点。

3 仿真结果

当环境温度为25℃、光强从1000W/m2变到800W/m2时，采用可变步长的ode23tb（stiff/TR-BDF2）仿真，仿真从0秒开始，仿真时间设置为0.02秒，同时，最大功率点跟踪控制模块的采样周期与脉宽调制模块的采样周期相同，都取为0.001。进行了电压环自适应扰动法的仿真研究，仿真功率输出结果如图 4所示。系统不断对功率和电压进行调整，大约过了0.006秒之后，功率最大值趋于稳定，并且在最大功率点的震荡很小。

图5 为同样光照和环境温度条件下，固定步长（取0.01）扰动法的MPPT的输出的功率波形图，由图可看出，获得最大功率时间约0.01秒，并且在最大功率点的波形震荡幅度较大，与图4对比发现，本文应用的自适应电压法的MPPT控制使电路的输出功率快速达到最大值点，并且在最大值点附近的扰动震荡明显减小。

图4 自适应电压控制系统功率输出波形Fig.4 Power waveforms of the system with the adaptive voltage Controlling

图5 固定步长的系统功率输出Fig.5 Power waveforms with immovable algorithm

4 结论

从仿真结果可以看出，电压环自适应最大功率跟踪算法的响应速度快，而且在稳定点附近振荡小，减小了稳定运行时的输出功率损耗。本文控制算法采用自适应变步长扰动方法，电压扰动步长根据功率变化随时被自动调节，可避免固定步长扰动的响应速度慢，在稳定点震荡大的弊端，能满足最大功率跟踪控制的快速性和准确性要求，该控制算法是可行的。

[1]苏建徽，等.硅太阳电池工程用数学模型[J].太阳能学报，2001，4.

[2]茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J].系统仿真学报，2005，5.

[3]杜柯，段善旭，刘飞.基于Matlab的一种光伏阵列模拟器的研究[J].通信电源技术，2006，3.

[4]高嵩.独立式光伏逆变电源的研究[D].北京交通大学，2008.

Simulation Study of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking with the Adaptive Voltage Controlling

ZHAO Ying
（Xiamen Ocean College,Mechanical and Electrical Engineering Department,Xiamen Fujian 361012,China）

This paper introduces the math model of the photovoltaic array,basing on such a model,the simulating model under simulink of matlab 7.4 was founded.And a new adaptive voltage controlling scheme was proposed for the maximum power point tracking(MPPT),compared to the traditional controlling algorithm of immovable disturbed simulating result,the result characteristics of high response speed,accurate and credible are achieved under the new MPPT controlling scheme.

photovoltaic array；model；MPPT；adaptive voltage controlling scheme；simulink simulation

TM615

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.061

1002－6673（2014）03－160－03

2014－04－17

赵颖（1982-），女，辽宁瓦房店人，助教，硕士研究生。研究方向：独立光伏发电系统的研究。