基于MATLAB的光伏發電系統MPPT控制研究

摘要：在太陽能電池等效模型的基礎上，采用MATLAB軟件建立了最大功率跟蹤（MPPT）控制模型，實現了光伏發電系統的最大功率跟蹤控制研究。研究中，主要探討了仿真模型建立過程中存在的諸多問題，以及在MATLAB中的處理方法，最后給出了不同情況下的MPPT仿真結果。

關鍵詞：MATLAB光伏發電系統MPPT

0 引言

隨著人們對電能需求量的不斷增大，加上清潔可再生能源工業的長足發展，對太陽能發電系統的研究也越來越廣泛。為了探索復雜情況下太陽能發電運行的情況，同時減少研究的成本，采用MATLAB仿真技術已越來越受到研究學者和工程技術人員的青睞[1]。本文正是在此背景下，采用MATLAB軟件建立了最大功率跟蹤（MPPT）控制模型，實現了光伏發電系統的最大功率跟蹤控制研究。

1 MPPT控制原理

1.1 光伏電池特性

圖1顯示了光伏電池在光照和溫度不同時的輸出特性曲線[2]。從P-U曲線可以看出光伏電池具有明顯的非線性[3]，而且，在一定的光照和溫度情況下，光伏電池具有唯一的最大功率點，要輸出當前狀態下的最大功率，光伏電池必須工作在最大功率點處。

1.2 控制原理

對于光伏發電系統，其最大功率跟蹤（MPPT）控制可以通過圖2所示變換器實現，圖中變換器采用直流升壓（Boost）電路。

由輸入輸出功率的平衡關系知，當系統工作在最大功率點時應有如下關系式成立

RS=RL(1-α)2

其中，RS表示光伏電池組的等效內阻，α表示Boost變換器占空比，RL為負載電阻。

2 仿真模型的建立

研究光伏發電系統的最大功率點跟蹤（MPPT）控制首要就是建立MATLAB仿真模型，圖3中示出了采用MATLAB軟件的Simulink工具箱建立的MPPT控制模型。模型中主要包括主電路和控制電路，主電路采用直流電壓源模擬光伏電池組，采用電阻R模擬太陽能電池內阻，采用R1模擬輸出直流負載；控制電路主要包括控制器、檢測電路、PWM信號生成器。此外，仿真電路中還包括輸出數據或波形部分，主要包括scope和scope1，scope主要檢測負載電壓、負載電流和負載耗散功率，scope1主要檢測電壓源內阻分壓情況，從而間接驗證最大功率跟蹤控制效果。

控制電路的核心部分是控制器（controller），模型中控制器采用Simulink工具箱中的Embedded MATLAB Function模塊，可以在該模塊中編寫MPPT控制程序，從而實現最大功率跟蹤控制。本模型中采用一種改進的電壓擾動觀察法[4][5]編寫程序，輸出y1控制PWM生成器占空比從而實現最大功率跟蹤功能。

仿真主要參數如下：R取1歐姆，R1取5歐姆，電壓源電壓設定為10伏，電感采用1毫亨，開關管采用IGBT，PWM頻率采用20k赫，延遲時間均采用10微秒。值得一提的是，延遲時間需要與最大功率跟蹤控制器控制程序匹配，否則可能導致跟蹤失敗，從而做出錯誤的判斷。

3 仿真結果及分析

建立光伏發電系統最大功率跟蹤（MPPT）控制模型后，就可以進行MATLAB仿真，設置好仿真參數后，最大功率輸出波形如圖4所示。從圖1中可以看出，系統在0.4秒前有較大的跟蹤波動，調節時間約為1秒，1秒后輸出功率恒定，穩定的最大輸出功率約為20瓦。如果改變仿真模型中參數值，輸出最大功率值會相應變化。

為了進一步檢驗輸出功率值是否為最大輸出功率，可以采用適當的檢測電路進行驗證。如圖3中Voltage Measurement1和Voltage Measurement2檢測電路所示，在示波器（圖3中的scope1）中觀察此時電壓情況如圖5所示，從圖中可以看出：電壓源電壓為10伏，如圖5中虛線所示，此時檢測到輸入電壓Vi為4伏。根據光伏發電系統最大功率跟蹤（MPPT）控制原理可知，理想情況下Vi為5伏，考慮外界干擾因素和實際情況，可以得出MPPT控制已經成功實現的結論。

如果負載為交流負載，則光伏發電系統輸出電壓可加上逆變器將其轉換為交流電壓。此時，只要在圖3所示模型中加入交流逆變器，輸出電壓、電流采樣替換為輸出交流電壓、電流的有效值采樣即可，輸出交流電壓波形如圖6所示。從圖中可以看出，輸出交流電壓波形基本為正弦波，滿足要求。

4 結論

本文采用MATLAB軟件，對光伏發電系統的最大功率跟蹤控制進行了初步研究，重點研究了最大功率跟蹤控制時輸出功率情況、輸入電壓情況以及仿真結果與理想結論的對比情況。從改善現有光伏發電系統最大輸出功率情況來看，該研究有一定的實用價值和市場經濟價值。

參考文獻：

[1]茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統仿真學報，2005，17(5)：1248-1251.

[2]徐鵬威，劉飛，劉邦銀等.幾種光伏系統MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術，2007，41（5）：3-5.

[3]何薇薇，楊金明.太陽能光伏發電最大功率跟蹤系統研究[J].電力電子技術，2008，42（8）：30-32.

[4]李紹武.小型風電系統MPPT控制算法的研究[J].湖北民族學院學報（自然科學版），2011，29(2)：191-193.

[5]張昌華.家用光伏發電系統的設計與MPPT控制[J].湖北民族學院學報（自然科學版），2011，29(2)：194-196.

作者簡介：韓榮花（1972-），女，漢族，黑龍江大慶人，大慶聯誼石化股份有限公司，工程師，主要研究方向：工業智能控制。