光伏系統中最大功率跟蹤算法仿真研究

崔振科 房曉

摘 要：文章以太陽能光伏發電系統為研究對象，以獲取太陽能電池最大功率為目標，基于已知的太陽能最大功率跟蹤算法，來構建仿真模型。首先根據太陽能電池的數學模型建立光伏電池模型，然后討論使用擾動觀察法實現最大功率跟蹤，并依據該算法建立系統的MATLAB仿真模型，最后模擬在不同溫度、光照下電池陣列的輸出特性，驗證了仿真模型的精確性。

關鍵詞：太陽能；光伏系統；最大功率跟蹤；MATLAB仿真

在世界各國競相發展綠色可再生能源的今天，太陽能作為新興的可再生能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域限制等的優點，受到了一致青睞，正得到迅速的推廣應用。在太陽能的各種應用中，光伏電池應用倍受關注。針對目前太陽能發電利用效率仍較低、供電穩定性較差的問題，文章將學習研究光伏電池最大功率點跟蹤算法及實現，借用MATLAB的Simulink工具建立光伏電池的數學模型，就擾動觀察法實現最大功率跟蹤的方法進行介紹和仿真分析，研究影響最大功率點的主要參數，并分析研究它們之間相互的關系及曲線變化。

1 太陽能電池輸出特性及模型分析

典型的太陽能電池的I-V方程為：

式（1）中IL為光電流；I0為反向飽和電流；q為電子電荷；K為玻耳茲曼常數；T為絕對溫度；A為二極管因子；Rs為串聯電阻；Rsh為并聯電阻。

工程用太陽電池模型通常要求供應商提供幾個重要技術參數，如Isc、Voc、Im、Vm、Pm。以下在基本解析表達式（1）的基礎上，通過兩點近似：（1）忽略（V+IRs）/Rsh項，這是因為在通常情況下該項遠小于光電流；（2）設定IL=Isc，這是因為在通常情況下Rs遠小于二極管正向導通電阻，開路狀態下，I=0，V=Voc。按此，太陽能電池的I-V方程可簡化為：

在最大功率點時， V=Vm，I =Im，可得

注意到開路狀態下，當I=0時，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于exp（1/C1）>>1，忽略式中的-1項，解出C2

最后的太陽電池模型特性由（2）確定。

為了對光伏電池性能進行仿真，在MATLAB里選擇用m文件編寫，利用MATLAB提供的S函數接口，通過編寫S函數來建立光伏電池的模型，它具有簡單實用的特點，是建立光伏電池模型的不錯選擇。首先需要編寫M文件，創建函數Ipv=fcn（S，Rs，T，Vpv）來求電流值I。

圖1 光伏電池Simulink仿真模塊及程序文件

2 擾動觀察法實現最大功率跟蹤

擾動觀察法的實現原理是測量當前陣列輸出功率，然后在原輸出電壓上增加一個小電壓分量（或稱之為擾動），其輸出功率會相應發生改變，測量出改變后的功率，比較改變前的即可知道功率變化的方向。如果功率增大就繼續原擾動方向。如果減小則改變原擾動方向。如果電壓增加了，功率也增加了，或者電壓減小了，功率也減小了，說明工作點位于最大功率點的左側，下一步需要增加電壓；如果電壓增加了，而功率減小了，或者電壓減小了，功率增加了，說明工作點位于最大功率點的右側，需要減小電壓。其最后的結果是工作點在最大功率點附近來回振蕩。

定步長擾動觀察法的實質是基于太陽能電池陣列輸出功率的計算和采樣電壓和電流值計算的功率變化，比較前一個和當前的電壓值來檢測功率變化，計算出參考電壓Vref用于產生PWM（脈寬調制）的控制信號。其中ΔV為占空比間隔，決定功率變化的步長。如果步長值較大，則系統響應快，但不準確；相反，如果步長值太小，則系統反應慢，但相對精確。通過對Vref的不斷調整，最終可以搜索到最大功率點。

3 仿真實驗與結果分析

根據以上定步長擾動觀察法思想，通過成比例地增加或減少變換器的輸入電壓，移動操作點向最大功率點靠近，同時計算變換器所需要的占空比，然后基于占空比產生變換器所需的脈沖信號用以控制開關管的開通與關斷。在MATLAB中，利用上面建立的光伏電池模型，在MATLAB中建立MPPT仿真環境。電壓、電流檢測裝置檢測出當前太陽電池工作點的電壓電流值，計算功率相對電壓的變化率，通過擾動觀察法實現太陽能電池陣列的最大功率跟蹤。

眾所周知，溫度和光強度是影響太陽能電池發電的兩種主要因素。利用太陽能光伏電池發電，我們希望能獲得最大功率輸出的能量。實際上，隨著外界環境的變化，就需要所建立的光伏電池膜性能快速的跟蹤外界環境的變化，保持光伏系統的最大功率輸出。基于此，圖2給出了標準光強下，溫度從25℃升高到30℃，然后從30℃緩慢降到20℃，光伏電池的電壓、電流的仿真波形。

圖2 溫度變化時，光伏系統電壓、電流變化曲線

從圖2可以看出，當外界環境變化時光伏電池能快速的跟蹤最大功率點且跟蹤精度較高。另外，光伏電池的電壓電流隨溫度變化的情況也嚴格符合上述光伏電池的輸出特性。即當溫度下降時，光伏系統的開路電壓降低，短路電流上升，當溫度升高時，光伏系統的開路電壓上升，短路電流降低，并且溫度對開路電壓影響更加明顯。

4 結束語

隨著新能源在未來的廣泛使用，光伏發電系統必然會發揮它重要的作用，作為系統的核心部件，最大功率跟蹤部分仍有一些問題需要解決。光伏電池數學模型需要進一步完善，希望能把風速、濕度等小的影響因素加進去，使得數學模型更接近實際光伏電池特性；如何更高效的將光伏電池產生的電能輸送，這需要對MPPT進行更深入的研究。

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