光伏發電系統中MPPT控制算法的研究及仿真

陳公興

（廣東技術師范學院天河學院，廣東 廣州 510540）

隨著能源危機以及環境污染問題的日益嚴重，世界各國對能源尤其是再生能源越來越重視，不斷加大對再生能源研究的資金投入。光伏發電系統沒有機械運動部件，具有無污染、無噪音、清潔、安全、壽命長、資源永不枯竭等特點，特別是由于其獨特的模塊化結構，太陽能被廣泛的運用到各個領域中。光伏產業在不斷的興起，它將成為將來的主導能源之一，在再生能源中有著不可替代的重要作用。

1 光伏發電系統

1.1 光伏發電系統的組成

光伏發電系統主要是由光伏陣列、DC/DC變換器、負載和MPPT控制器組成的。MPPT控制器通過分析太陽能陣列的輸出參數以及負載處的工作參數來改變DC－DC變換器的輸出來完成對最大功率點（MPP）的跟蹤，這些參數包括電壓、電流和功率。

1.2 太陽能電池的光伏特性

影響太陽能電池光伏特性的因素很多，主要因素是溫度和日照，從而它的輸出具有非線性特性，圖1和圖2分別給出了太陽能電池的伏安特性和伏瓦特性。

圖1 太陽能的伏安特性

圖2 太陽能的伏瓦特性

從圖中可以看出，太陽能的最大功率點隨著日照和太陽能電池自身溫度的改變而變化的，而這兩個外在因素存在著極大的不確定性、無規律性，因此為太陽能光伏系統建立一個精準的系統模型相當難。最大功率跟蹤的方法有擾動觀測法和模糊和神經網絡控制法等等。

2 MPPT控制算法原理

MPPT算法最大特點是能獨立于光伏特性之外，即無需考慮外界氣候環境等因素對光伏陣列的影響，控制系統總能找到相應的MPP，是一種在數學意義上追蹤最大功率點的方法。下面對MPPT算法進行敘述。

擾動觀測法是絕大多數 MPPT控制系統所采用的“爬山法”，通常對電壓進行擾動，稱為電壓擾動觀測法。其基本原理是通過不斷改變光伏陣列的輸出電壓VPV來判斷獨立光伏系統的輸出功率是否達到最大點。控制的基本過程：t1時刻，控制系統采樣，獨立光伏系統輸出電壓VPV（t1）和電流IPV（t1），計算出t1時刻的光伏陣列的輸出功率P（t1）并保存，然后對光伏陣列的輸出電壓VPV（t1）施加△V的擾動，在t2時刻同樣采樣、計算得到 P（t2），然后比較 P（t1）和 P（t2）的大小。如果P（t1）＞P（t2），則繼續按照原來的擾動方式，否則按照相反的方向擾動。系統最終的工作點在MPP處小幅振蕩，會有一定的能量損耗。但是在如下情況下系統會出現一些誤判，雖然最終也能追蹤到MPP，但損耗和振蕩將加大，如圖3所示。

圖3 光伏陣列的輸出電壓與光伏系統的輸出功率之間關系

假設系統穩定時在A1和A之間振蕩，當前工作點在A點，其電壓為VA，那么系統到達A點時所應施加的擾動電壓增量△V應小于0，假設此時光照突然加強了，工作點直接從曲線1跳到曲線2上，那么對應的工作點由A點跳到B1點，顯然B1點的功率PB1大于PA，那么系統仍要根據原來的擾動方式繼續施加同方向的電壓增量△V，使得光伏陣列的輸出電壓繼續變小到B點，同樣，如果光照再繼續加強，那么經過再次擾動后，就會到達如圖所示的C點，離MPP更遠了，雖然系統最終會調整至MPP附近，但這樣增加了系統的響應時間，造成系統的不穩定，也消耗了更多的能量。此外，當外界因素溫度或者日照發生突變時，控制系統可能會出現誤判，造成系統的大幅振蕩和不穩定。

3 MPPT控制算法仿真設計

MPPT控制算法仿真總體設計如圖4所示，利用已經建立的光伏陣列計算機仿真模型以及實測光照強度數據，根據MPPT控制算法的原理進行計算機仿真，建立MPPT控制算法仿真界面如圖5所示。在保持溫度為25 ℃不變的情況下，根據選擇的已采集到的某一天光強數據和輸入的算法參數進行計算仿真，計算所選算法的跟蹤效率，繪制跟蹤曲線。

圖4 MPPT控制算法仿真總體設計

圖5 MPPT控制算法仿真界面

4 結束語

根據MPPT控制算法，對MPPT控制算法和基本原理進行了闡述，在實際應用中應根據不同的要求和場合來選擇相應的MPPT算法。隨著未來光伏產業的不斷發展，MPPT控制器將朝著結構簡單輕便、低功耗、可靠性高、抗干擾強、適應性廣的方向發展。

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