光伏發電系統最大功率點跟蹤技術的研究

陳丹陽

摘 要 為了提高太陽能光伏電池的光電轉換效率，文章著重對光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT）技術進行研究。通過對單個光伏電池的建模、仿真來認識光伏電池在不同條件下的特性曲線，選取擾動觀測法進行研究，并選用BOOST電路的DC/DC功率變換器，基于MATLAB/SIMULINK建立光伏系統的仿真模型，并通過脈寬調制（PWM）占空比的變化來改變電路的輸出電壓來實現對最大功率點的跟蹤。

關鍵詞 光伏發電系統；MPPT；擾動觀測法；MATLAB/SIMULINK仿真

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0031-01

自20世紀80年代，太陽能光伏產業得到了迅速發展，其增長幅度與受關注度遠高于其他能源產業。我國有著豐富的太陽能資源，近十年來，太陽能光伏產業發展迅速，但是與發達國家相比還存在相當大的差距。首先，我國生產規模較國外較小，自動化水平較低，標準、規范與檢測認證體系不健全；其次，發電成本過高，缺乏核心競爭力。總為言之，我國光伏產業在國內外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗。

1 最大功率點跟蹤的原理

最大功率點跟蹤（MPPT）控制策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法預測當前狀況下陣列可能的最大功率輸出，從而改變當前的阻抗值使陣列輸出最大功率。

對于電阻型負載，其負載線與I-V曲線的交叉點即為光伏電池的工作點，不同的負載決定了光伏電池工作在不同的位置。我們可以通過公式來求得最大功率輸出時的電阻值。當太陽能電池陣列的光照強度和溫度不發生變化時，對于線性電路來說，當負載電阻與電源內阻相等時，電源的輸出功率為最大值。

在光伏發電系統中，一般在光伏電池陣列和負載之間設置DC/DC或DC/AC變換電路，變換電路可以將光伏電池陣列的輸出電壓轉換成穩定電壓，進而為后續電路供電。雖然光伏電池和DC/DC、DC/AC變換電路的輸出特性都具有強非線性，但在極短時間內，可以看作線性電路來進行簡化處理，所以要使光伏電池保持最大功率輸出，只需調節轉換電路的等效電阻，使其與光伏電池的內阻相等。因此在實際應用中，通過調節負載兩端的電壓即光伏電池陣列的輸出電壓，就可以實現光伏電池最大功率點跟蹤。

2 最大功率跟蹤算法的實現

最大功率跟蹤控制方法中常用到的功率變換器器件有DC/DC和DC/AC。而對于功率變換器DC/DC來說，因其等效負載就是光伏電池的等效負載，故我們只需對占空比進行調節就能實現最大功率點的跟蹤，控制方法較為簡單，所以本文的光伏電池的最大功率點跟蹤控制采取DC/DC功率變換器。

最大功率點跟蹤控制常用的DC/DC電路是BOOST電路。BOOST電路是可以連續輸出的升壓式變換電路。當光照強度較弱時，BOOST電路還可以提升光伏電池輸出端的電壓。同時，在輸出端并聯的小電容又可以消除、開關電路產生的諧波干擾。

最大功率跟蹤器的主電路由光伏電池與BOOST電路構成。下面介紹一下BOOST電路的基本原理。圖1為BOOST電路原理圖。

（a）電路圖

（b）波形

圖1 BOOST電路及其工作波形

如圖1所示，假設電感L值很大，電容C值也很大。V導通時，E向L充電，充電電流恒為，同時電容C兩端儲存的電壓也向負載供電，因電容C值很大，輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態的時間為，此階段電感L上儲存的能量為。當V關斷時，電源E和電感L共同向電容C充電并向負載電阻R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放的能量為。

當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L儲存的能量與釋放的能量相同，即

= （1）

化簡得

（2）

上式中的，所以輸出電壓始終高于電源電壓，所以稱此電路為升壓斬波電路。又稱之為BOOST變換器。為升壓比，通過調節其大小可改變輸出電壓的大小，將升壓比的倒數記作，即

（3）

和導通占空比關系如下： （4）

所以式（2）可表示為 （5）

在MATLAB/SIMULINK環境下搭建系統仿真模型，研究光伏發電系統最大功率點跟蹤控制方法。整個系統包括光伏陣列模塊、MPPT模塊、PWM模塊和DC/DC電路模塊。

通過比較當前和前一時刻的功率值，根據功率變化方向來計算控制量，控制產生PWM波是MPPT模塊的基本思想。PWM模塊通過處理MPPT模塊傳遞的控制信號來產生脈沖信號來調節后級DC/DC電路的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的。PWM模塊的仿真模型如圖2。

圖2 PWM模塊的仿真模型

3 結論

通過在基于MATLAB/SIMULINK仿真環境下，建立光伏電池的仿真模型，得到對不同溫度和光照強度下的太陽能電池輸出特性曲線，并根據輸出特性曲線總結出外界環境對于光伏電池輸出的不同影響，為最大功率點跟蹤的研究提供了理論依據。本文采用的DC/DC變換器為BOOST電路，并對DC/DC轉換電路的輸入電壓、電流量進行測量，并將測量值導入到MPPT模塊，在將MPPT輸出信號作為PWM的輸入信號，通過PWM脈沖，調節DC/DC轉換電路開關管的占空比，通過控制光伏發電系統的輸出電壓，進而實現最大功率跟蹤控制。

參考文獻

[1]杜曉偉，路正南.我國可持續性發展過程中能源問題的戰略選擇[J].商場現代化，2006（10S）：332-333.

[2]李春鵬，張廷元，周封.太陽能光伏發電綜述[J].電工材料，2006（3）：45-48.

[3]吳海濤，孔娟，夏東偉.基于MATLAB/SIMULINK的光伏電池建模與仿真[J].青島大學學報（工程技術版），2006：74-77.endprint

摘 要 為了提高太陽能光伏電池的光電轉換效率，文章著重對光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT）技術進行研究。通過對單個光伏電池的建模、仿真來認識光伏電池在不同條件下的特性曲線，選取擾動觀測法進行研究，并選用BOOST電路的DC/DC功率變換器，基于MATLAB/SIMULINK建立光伏系統的仿真模型，并通過脈寬調制（PWM）占空比的變化來改變電路的輸出電壓來實現對最大功率點的跟蹤。

關鍵詞 光伏發電系統；MPPT；擾動觀測法；MATLAB/SIMULINK仿真

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0031-01

自20世紀80年代，太陽能光伏產業得到了迅速發展，其增長幅度與受關注度遠高于其他能源產業。我國有著豐富的太陽能資源，近十年來，太陽能光伏產業發展迅速，但是與發達國家相比還存在相當大的差距。首先，我國生產規模較國外較小，自動化水平較低，標準、規范與檢測認證體系不健全；其次，發電成本過高，缺乏核心競爭力。總為言之，我國光伏產業在國內外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗。

1 最大功率點跟蹤的原理

最大功率點跟蹤（MPPT）控制策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法預測當前狀況下陣列可能的最大功率輸出，從而改變當前的阻抗值使陣列輸出最大功率。

對于電阻型負載，其負載線與I-V曲線的交叉點即為光伏電池的工作點，不同的負載決定了光伏電池工作在不同的位置。我們可以通過公式來求得最大功率輸出時的電阻值。當太陽能電池陣列的光照強度和溫度不發生變化時，對于線性電路來說，當負載電阻與電源內阻相等時，電源的輸出功率為最大值。

在光伏發電系統中，一般在光伏電池陣列和負載之間設置DC/DC或DC/AC變換電路，變換電路可以將光伏電池陣列的輸出電壓轉換成穩定電壓，進而為后續電路供電。雖然光伏電池和DC/DC、DC/AC變換電路的輸出特性都具有強非線性，但在極短時間內，可以看作線性電路來進行簡化處理，所以要使光伏電池保持最大功率輸出，只需調節轉換電路的等效電阻，使其與光伏電池的內阻相等。因此在實際應用中，通過調節負載兩端的電壓即光伏電池陣列的輸出電壓，就可以實現光伏電池最大功率點跟蹤。

2 最大功率跟蹤算法的實現

最大功率跟蹤控制方法中常用到的功率變換器器件有DC/DC和DC/AC。而對于功率變換器DC/DC來說，因其等效負載就是光伏電池的等效負載，故我們只需對占空比進行調節就能實現最大功率點的跟蹤，控制方法較為簡單，所以本文的光伏電池的最大功率點跟蹤控制采取DC/DC功率變換器。

最大功率點跟蹤控制常用的DC/DC電路是BOOST電路。BOOST電路是可以連續輸出的升壓式變換電路。當光照強度較弱時，BOOST電路還可以提升光伏電池輸出端的電壓。同時，在輸出端并聯的小電容又可以消除、開關電路產生的諧波干擾。

最大功率跟蹤器的主電路由光伏電池與BOOST電路構成。下面介紹一下BOOST電路的基本原理。圖1為BOOST電路原理圖。

（a）電路圖

（b）波形

圖1 BOOST電路及其工作波形

如圖1所示，假設電感L值很大，電容C值也很大。V導通時，E向L充電，充電電流恒為，同時電容C兩端儲存的電壓也向負載供電，因電容C值很大，輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態的時間為，此階段電感L上儲存的能量為。當V關斷時，電源E和電感L共同向電容C充電并向負載電阻R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放的能量為。

當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L儲存的能量與釋放的能量相同，即

= （1）

化簡得

（2）

上式中的，所以輸出電壓始終高于電源電壓，所以稱此電路為升壓斬波電路。又稱之為BOOST變換器。為升壓比，通過調節其大小可改變輸出電壓的大小，將升壓比的倒數記作，即

（3）

和導通占空比關系如下： （4）

所以式（2）可表示為 （5）

在MATLAB/SIMULINK環境下搭建系統仿真模型，研究光伏發電系統最大功率點跟蹤控制方法。整個系統包括光伏陣列模塊、MPPT模塊、PWM模塊和DC/DC電路模塊。

通過比較當前和前一時刻的功率值，根據功率變化方向來計算控制量，控制產生PWM波是MPPT模塊的基本思想。PWM模塊通過處理MPPT模塊傳遞的控制信號來產生脈沖信號來調節后級DC/DC電路的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的。PWM模塊的仿真模型如圖2。

圖2 PWM模塊的仿真模型

3 結論

通過在基于MATLAB/SIMULINK仿真環境下，建立光伏電池的仿真模型，得到對不同溫度和光照強度下的太陽能電池輸出特性曲線，并根據輸出特性曲線總結出外界環境對于光伏電池輸出的不同影響，為最大功率點跟蹤的研究提供了理論依據。本文采用的DC/DC變換器為BOOST電路，并對DC/DC轉換電路的輸入電壓、電流量進行測量，并將測量值導入到MPPT模塊，在將MPPT輸出信號作為PWM的輸入信號，通過PWM脈沖，調節DC/DC轉換電路開關管的占空比，通過控制光伏發電系統的輸出電壓，進而實現最大功率跟蹤控制。

參考文獻

[1]杜曉偉，路正南.我國可持續性發展過程中能源問題的戰略選擇[J].商場現代化，2006（10S）：332-333.

[2]李春鵬，張廷元，周封.太陽能光伏發電綜述[J].電工材料，2006（3）：45-48.

[3]吳海濤，孔娟，夏東偉.基于MATLAB/SIMULINK的光伏電池建模與仿真[J].青島大學學報（工程技術版），2006：74-77.endprint

摘 要 為了提高太陽能光伏電池的光電轉換效率，文章著重對光伏陣列的最大功率點跟蹤（MPPT）技術進行研究。通過對單個光伏電池的建模、仿真來認識光伏電池在不同條件下的特性曲線，選取擾動觀測法進行研究，并選用BOOST電路的DC/DC功率變換器，基于MATLAB/SIMULINK建立光伏系統的仿真模型，并通過脈寬調制（PWM）占空比的變化來改變電路的輸出電壓來實現對最大功率點的跟蹤。

關鍵詞 光伏發電系統；MPPT；擾動觀測法；MATLAB/SIMULINK仿真

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）06-0031-01

自20世紀80年代，太陽能光伏產業得到了迅速發展，其增長幅度與受關注度遠高于其他能源產業。我國有著豐富的太陽能資源，近十年來，太陽能光伏產業發展迅速，但是與發達國家相比還存在相當大的差距。首先，我國生產規模較國外較小，自動化水平較低，標準、規范與檢測認證體系不健全；其次，發電成本過高，缺乏核心競爭力。總為言之，我國光伏產業在國內外市場上仍面臨著非常嚴峻的考驗。

1 最大功率點跟蹤的原理

最大功率點跟蹤（MPPT）控制策略實時檢測光伏陣列的輸出功率，通過一定的控制算法預測當前狀況下陣列可能的最大功率輸出，從而改變當前的阻抗值使陣列輸出最大功率。

對于電阻型負載，其負載線與I-V曲線的交叉點即為光伏電池的工作點，不同的負載決定了光伏電池工作在不同的位置。我們可以通過公式來求得最大功率輸出時的電阻值。當太陽能電池陣列的光照強度和溫度不發生變化時，對于線性電路來說，當負載電阻與電源內阻相等時，電源的輸出功率為最大值。

在光伏發電系統中，一般在光伏電池陣列和負載之間設置DC/DC或DC/AC變換電路，變換電路可以將光伏電池陣列的輸出電壓轉換成穩定電壓，進而為后續電路供電。雖然光伏電池和DC/DC、DC/AC變換電路的輸出特性都具有強非線性，但在極短時間內，可以看作線性電路來進行簡化處理，所以要使光伏電池保持最大功率輸出，只需調節轉換電路的等效電阻，使其與光伏電池的內阻相等。因此在實際應用中，通過調節負載兩端的電壓即光伏電池陣列的輸出電壓，就可以實現光伏電池最大功率點跟蹤。

2 最大功率跟蹤算法的實現

最大功率跟蹤控制方法中常用到的功率變換器器件有DC/DC和DC/AC。而對于功率變換器DC/DC來說，因其等效負載就是光伏電池的等效負載，故我們只需對占空比進行調節就能實現最大功率點的跟蹤，控制方法較為簡單，所以本文的光伏電池的最大功率點跟蹤控制采取DC/DC功率變換器。

最大功率點跟蹤控制常用的DC/DC電路是BOOST電路。BOOST電路是可以連續輸出的升壓式變換電路。當光照強度較弱時，BOOST電路還可以提升光伏電池輸出端的電壓。同時，在輸出端并聯的小電容又可以消除、開關電路產生的諧波干擾。

最大功率跟蹤器的主電路由光伏電池與BOOST電路構成。下面介紹一下BOOST電路的基本原理。圖1為BOOST電路原理圖。

（a）電路圖

（b）波形

圖1 BOOST電路及其工作波形

如圖1所示，假設電感L值很大，電容C值也很大。V導通時，E向L充電，充電電流恒為，同時電容C兩端儲存的電壓也向負載供電，因電容C值很大，輸出電壓為恒值，記為。設V處于通態的時間為，此階段電感L上儲存的能量為。當V關斷時，電源E和電感L共同向電容C充電并向負載電阻R供電。設V斷的時間為，則此期間電感L釋放的能量為。

當電路工作于穩態時，一個周期T中電感L儲存的能量與釋放的能量相同，即

= （1）

化簡得

（2）

上式中的，所以輸出電壓始終高于電源電壓，所以稱此電路為升壓斬波電路。又稱之為BOOST變換器。為升壓比，通過調節其大小可改變輸出電壓的大小，將升壓比的倒數記作，即

（3）

和導通占空比關系如下： （4）

所以式（2）可表示為 （5）

在MATLAB/SIMULINK環境下搭建系統仿真模型，研究光伏發電系統最大功率點跟蹤控制方法。整個系統包括光伏陣列模塊、MPPT模塊、PWM模塊和DC/DC電路模塊。

通過比較當前和前一時刻的功率值，根據功率變化方向來計算控制量，控制產生PWM波是MPPT模塊的基本思想。PWM模塊通過處理MPPT模塊傳遞的控制信號來產生脈沖信號來調節后級DC/DC電路的占空比，從而達到控制輸出電壓的目的。PWM模塊的仿真模型如圖2。

圖2 PWM模塊的仿真模型

3 結論

通過在基于MATLAB/SIMULINK仿真環境下，建立光伏電池的仿真模型，得到對不同溫度和光照強度下的太陽能電池輸出特性曲線，并根據輸出特性曲線總結出外界環境對于光伏電池輸出的不同影響，為最大功率點跟蹤的研究提供了理論依據。本文采用的DC/DC變換器為BOOST電路，并對DC/DC轉換電路的輸入電壓、電流量進行測量，并將測量值導入到MPPT模塊，在將MPPT輸出信號作為PWM的輸入信號，通過PWM脈沖，調節DC/DC轉換電路開關管的占空比，通過控制光伏發電系統的輸出電壓，進而實現最大功率跟蹤控制。

參考文獻

[1]杜曉偉，路正南.我國可持續性發展過程中能源問題的戰略選擇[J].商場現代化，2006（10S）：332-333.

[2]李春鵬，張廷元，周封.太陽能光伏發電綜述[J].電工材料，2006（3）：45-48.

[3]吳海濤，孔娟，夏東偉.基于MATLAB/SIMULINK的光伏電池建模與仿真[J].青島大學學報（工程技術版），2006：74-77.endprint