基于干擾觀測法的電動汽車光伏電池MPPT控制算法的建模與仿真

遲曉妮，賈顯通

(杭州職業技術學院青年汽車學院，浙江杭州 310018)

基于干擾觀測法的電動汽車光伏電池MPPT控制算法的建模與仿真

遲曉妮，賈顯通

(杭州職業技術學院青年汽車學院，浙江杭州 310018)

對于太陽能電動汽車而言，最為關鍵的是太陽能電池。最大功率點跟蹤是提高光伏發電效率的關鍵技術之一，在學術研究以及工程應用中都具有重大的意義。利用MATLAB/Simulink仿真平臺，使用SunPower公司的SPR-305-WHT光伏組件構建電池模型，對干擾觀測法最大功率點跟蹤方法進行仿真研究和分析，并對最大功率點跟蹤方法的研究方向做了合理的展望。

光伏發電；干擾觀測法；最大功率點跟蹤

0　引言

隨著環境污染及能源問題的日益嚴重，新能源汽車特別是太陽能電動汽車成為當前的研究熱點。對于太陽能電動汽車而言，最為關鍵的是太陽能電池。太陽能電池高效率和低價格一直是光伏開發追求的目標，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技術是提高光伏發電系統效率的關鍵技術之一[1]。實驗表明光伏電池的輸出受到環境溫度、光照強度、空氣質量、地理位置等多種情況的影響，輸出具有很強的非線性的特征。利用MATLAB軟件中光伏組件SunPower SPR-305-WHT)來模擬電動汽車光伏發電系統對最大功率點跟蹤算法進行研究。

1　太陽能光伏電池的模型和電氣特性

1.1太陽能電池模型

每個光伏電池單元的模型可以看作是一個恒電流源，然后并入一個正向的二極管。其等效簡化電路模型如圖1所示。

根據圖1所示的光伏電池的等效電路模型，可以得到如下光伏電池的等效電路的電壓、電流特性的數學模型[3]。

I=Iph-Id-Ish

(1)

流過二極管的電流Id可以由如下方程給出：

(2)

此外，太陽能光伏電池的漏電流Ish也可以由如下方程表示:

(3)

于是由如下方程組可以聯立推導出新的方程組，具體表示如下：

(4)

該方程中各個參數定義如表1所示。

表1　光伏組件模型各參數

在理想情況下，即Rs接近于0、Rsh無窮大時，得到的簡化等效電路(見圖1)的數學模型為：

(5)

(6)

式中：UL為光伏電池輸出端電壓；P為光伏電池輸出功率。

1.2太陽能光伏電池的輸出特性曲線

使用的SunPower公司SPR-305-WHT光伏組件單個模型的各項參數如表2所示。

表2　SPR-305-WHT型號的光伏電池模組的各項參數

對單個光伏組件進行仿真，得到的仿真結果如圖2所示。

從圖2可看出：特性曲線右側區域電壓較高，此時的光伏電池可以近似看成一個恒電壓源，具有明顯的低內阻特性；而特性曲線左側區域電壓較低，此時的光伏電池可以近似看成一個恒電流源，具有明顯的高內阻特性。由此，可以得出:對于輸出功率相同的一個光伏電池，既可以作為電壓源外接電壓型負載，又可以作為電流源外接電流型負載；曲線的頂點處即為光伏電池的最大輸出功率點，而在最大功率點的兩側，光伏電池的輸出功率呈下降趨勢。正是利用這個特性,作者利用各類方法實現光伏系統的最大功率點跟蹤。

2　控制算法及仿真

2.1最大功率點的跟蹤原理

太陽能電池板為非線性電源，其輸出特性通常與光照、溫度和負載R有關，在光照、溫度一定的情況下，太陽能電池板可以設置輸出不同的電壓，當電壓達到某一個特殊值時，輸出功率最大。在光伏系統中，為了提高光伏系統的效率，需要實時調整光伏電池的工作點，即系統要能跟蹤太陽電池輸出的最大功率點。而實現最大點跟蹤的方法就是通過不同的跟蹤算法來完成。

2.2干擾觀測法

先了解干擾觀測法的基本原理。如圖3所示，首先設定一個參考電壓U0，此時可以得到輸出功率為P0，然后等待一個設定好的時間間隔以后，增加或者減小電壓使其變為U1，此時可以得到此刻的輸出功率P1，如果P1>P0，表明電壓的擾動方向為正方向，即說明此時的輸出功率正在逐漸靠近最大功率點處，輸出電壓小于Umax，則下一步的擾動方向依然和上步相同；如果P1

根據上述原理，可以得到干擾觀測法的控制流程圖，如圖4所示。

根據控制流程圖，編寫得到的控制程序如下：

function D= PandO(Param, Enabled, V, I)

% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.

% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)

%

% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller

% V input = PV array terminal voltage (V)

% I input = PV array current (A)

%

% Param input:

Dinit = Param(1);%Initial value for D output

Dmax = Param(2);%Maximum value for D.

Dmin = Param(3);%Minimum value for D

……………………………………………………….

2.3干擾觀測法的仿真和分析

以環境溫度和光照強度作為光伏系統外部參數變量，參數設置如圖5所示。

此次仿真時間一共為3 s，從圖5可以看出：t=0時，光照強度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃；t=0.6 s時，光照強度突變為250 W/m2，溫度依然為25 ℃；t=1.2～1.7 s時間段內，光照強度由250 W/m2逐漸升為1 000 W/m2；t=2 s時，環境溫度由25 ℃突變為75 ℃。此次仿真重點主要是觀察t=0、t=0.6 s以及t=2 s時刻算法的控制效果，仿真結果如圖6所示。

圖6所示即為利用干擾觀測法實現最大功率點跟蹤的仿真結果，為了更加直白說明仿真效果，如圖7所示，對圖中3個特殊點進行詳細分析。

圖7(a)，t=0時刻，從仿真結果可以看出:功率從零增加到最大功率大約需要0.06 s的時間，跟蹤速度較慢，而且跟蹤過程中功率一直處于波動狀態。

圖7(b)，t=0.6 s時刻，從仿真結果可以看出:由于此刻光照強度突然降低，最大功率點經過一個較大波動后重新恢復到另一個平穩點，耗時大約為0.04 s，功率最大波動幅度大約為125 kW。

圖7(c),t=2 s時刻，從仿真結果可以看出:由于此刻環境溫度的突然升高，最大功率點處電壓降低，從而導致功率降低。最大功率點經過一個波動后重新恢復到另一個平穩點，耗時大約為0.05 s，功率最大波動幅度大約為25 kW。

3　結論

利用干擾觀測法對光伏系統實現最大功率點跟蹤，并對跟蹤結果做了分析，針對環境參數中變化較大的3個特殊點通過具體的數據進行了比較。從以上仿真結果可以看出：這種控制算法簡單有效，能夠實現在太陽能電動汽車上的應用，在一定程度上能夠實現穩定供電。但其不足之處在于控制精度低，就算在某一擾動之后工作點到達最大功率點處，下一時刻的擾動就會偏離最大功率點，使得光伏電池輸出功率只能在最大功率點附近，產生一定的功率損失。

為了克服該方法的缺點，在將來的研究中作者將在電動汽車電池研究中嘗試采用變步長的干擾觀測法，根據距離最大功率點的距離調節使用不同的步長，以求在動態響應速度和穩態精度上面都有一定的提高，使得太陽能電動汽車的動力性得到較大的提高。

【1】趙爭鳴，陳劍.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

【2】杜慧,林永君,林永君.太陽能光伏電池輸出特性分析與仿真研究[C]//2008系統仿真技術及其應用學術會議論文集,2008.

【3】趙爭鳴,劉建政,孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：科學出版社，2005.

【4】趙慶平，姜恩華，朱旋.基于MATLAB的光伏電池最大功率點跟蹤研究[J].吉林師范大學學報，2013(5):26-27.

Modeling and Simulation of MPPT Controlled Method for Solar Electric Vehicle Based on Perturbation and Observation Method

CHI Xiaoni,JIA Xiantong

(Youngman Automotive Institute,Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou Zhejiang 310018,China)

The most critical sect1 is the solar cell to the solar electric vehicles. And the maximum power point tracking (MPPT) technology is a key technology to improve the efficiency of photovoltaic power generation, which is of great significance in academic research and engineering applications. Using MATLAB-Simulink simulation platform and SunPower’s SPR-305-WHT PV model, a MPPT simulation model was built and analysis about MPPT based on perturbation and observotion method was done. Finally, a reasonable prospect to the research direction of MPPT method was given.

Photovetaic power generation; Matlab-Simulink; Maximum power point tracking

2015-05-20

浙江省教育廳科研項目(Y201430906)；浙江省大學生科技創新項目(2014R450009)；杭州職業學院2014年度校級教師企業經歷工程；杭州職業學院項目(ky201427)

遲曉妮(1979—)，女，講師，研究方向為新能源汽車和汽車電子技術。E-mail:chi_xiaoni@126.com。