基于擾動觀測法的MPPT控制策略仿真研究

李生福 黃業廣 肖忠云

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

近年來，國家大力發展可再生能源，太陽能的發展得到了足夠的重視。太陽能光伏電池的輸出特性受負載大小、環境溫度、輻射強度、季節性更替等因素的影響，導致其輸出功率不穩定，轉換效率較低。本文通過建立光伏電池的數學模型，以Boost電路為基礎，采用擾動觀測法，使光伏電池迅速地工作于最大功率點(MPP)附近，有效地提高了光伏電池的利用率。

1 光伏MPPT原理

1.1 光伏MPPT簡介

光伏電池的輸出功率存在一個最大值，它所對應的工作電壓就是最大功率點電壓。但是太陽能電池的輸出特性（I-U）、（P-U）受外界環境影響很大，溫度和光照輻射度的變化都可以導致特性發生很大的變化，如果不及時調整太陽能電池的輸出電壓，太陽能電池將不能工作在最大功率輸出狀態；另外光伏電池的轉換效率也較低，目前成本較高，初期投入大，因此有必要采取具有MPPT(最大功率點跟蹤)功能的控制來提高光伏系統的效率。

1.2 最大功率跟蹤實現原理

如圖1所示，在光伏發電系統的實際電路中，由于DC/DC變換器連接光伏電池陣列與負載，通過改變DC/DC變換器開關的PWM占空比使負載與光伏陣列相匹配，即可達到調節光伏陣列工作點的目的，使光伏電池工作在最大功率點(MPP)處。本文中DC/DC變換環節采用Boost電路來實現。Boost電路為一種升壓變換器，它可以使直流側的電壓配置更加靈活，此外Boost電路本身具有較高的效率，其中的二極管，可以用做自然的防反二極管，防止電網側的能量供給光伏方陣，這樣在光伏伏方陣這一側就可以省去一個防反二極管，提高了系統的整體效率。

圖1 最大功率跟蹤實現原理

1.3 擾動觀測法

擾動觀察法控制的基本思想是先對光伏電池輸出電壓或電流給一定步長的擾動，然后通過檢測傳感器對光伏電池輸出電壓和電流進行檢測，再根據檢測出的電壓和電流的變化情況綜合判斷該時刻擾動電壓或電流對光伏電池輸出功率的變化情況，最終擾動的結果是促使光伏電池工作點在最大功率輸出點上。無論當前光伏電池輸出功率是處在那個位置我們都可以通過一定量的擾動幅值來使光伏電池輸出功率逐步接近Pmax，所以我們也稱為擾動觀察法為逐步逼近法。如圖2中，若光伏電池的工作點在Pmax的左側時，我們通過逐步增加輸出電壓（U1→U2→U3→Umax）驅使光伏電池的輸出功率無限接近 Pmax，若光伏電池的工作點在Pmax的右側，就通過逐步減小輸出電壓（U5→U4→Umax）驅使光伏電池輸出功率接近Pmax。由此，就使用ΔP/ΔU代替dP/dU，在最大功率點處滿足：ΔP/ΔU＝0。

圖2 擾動觀測法動態跟蹤圖

2 仿真結果分析

本仿真模型，在標準狀況S＝1000W/m2，T＝25℃的條件下，接入負載R＝1Ω電阻，穩壓源U＝36V與Boost電路，Boost電路輸入端電容取C＝0.01F，電感取L＝0.005H。在0-2.5秒時不加入MPPT控制，使用固定占空比D＝70%，將電壓控制在10.8V左右，2.5-5秒時投入MPPT。輸出電流、電壓與功率如圖3所示：

圖3 S=1000時加入MPPT后的電壓曲線

圖4 S=1000時投入MPPT后的P-t曲線

由圖3可以看出，投入MPPT前輸出電壓約為10.8V，投入后約為21V，輸出電壓明顯增大，基本達到了最大功率點電壓。由圖4可以看出，投入MPPT前輸出功率約為60W，投入后約為85W，基本達到了最大功率點輸出功率。輸出功率初值會有較大的波動，但最終將在最大功率點附近以振蕩方式趨于平穩，表明最大功率得以成功跟蹤。當光照強度變化時，輸出電流明顯增大，輸出電壓也明顯增大，功率也在增大，證明了該MPPT控制可以有效地使PV模塊在不同的光照強度下均能工作在最大功率點附近。

3 結論

本文基于擾動觀察法的控制策略，通過改變Boost斬波電路的電力電子開關器件PWM信號的占空比對光伏組件的輸出電壓進行擾動，以判斷光伏組件是否工作在最大功率點處，并對其進行反饋控制，使其進行最大功率輸出，極大地改善了光伏組件非控制情況下輸出功率不足的情況，提高了光伏系統的效率。并且通過MATLAB/Simulink進行仿真驗證，實驗結果表明能實現MPPT功能。

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