基于電導(dǎo)增量法的光伏發(fā)電MPPT分析

林婷婷 樊森

摘 要：綜合開發(fā)研究太陽(yáng)能作為現(xiàn)在科研焦點(diǎn)。在所有的新型開發(fā)應(yīng)用方法里面，對(duì)光伏發(fā)電的關(guān)注研究設(shè)計(jì)得到了很多研究家的關(guān)注，發(fā)展很快。本論文研究前面分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本組成。然后研究MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）方法。它對(duì)提高太陽(yáng)能電池的利用率有很大的意義，能夠讓光伏電池陣列及時(shí)適應(yīng)外部條件的變化，始終工作在最大功率輸出點(diǎn)。最后分析了MPPT方法中常用的電導(dǎo)增量法并分別在Simulink內(nèi)用模塊構(gòu)建的光伏電池模型和用S函數(shù)構(gòu)建的光伏電池模型上應(yīng)用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率跟蹤控制，來(lái)驗(yàn)證電導(dǎo)增量法的可行性和適用性。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；MPPT；電導(dǎo)增量法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.065

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，社會(huì)發(fā)展很快，各種科技發(fā)展很迅速，地球上有限的資源，每天都在不斷減少，這個(gè)時(shí)候如果我們?nèi)祟惒辉賹で笮碌哪茉吹缆?，我們將面臨一系列環(huán)境污染帶來(lái)的問(wèn)題，所以可持續(xù)發(fā)展就成了這個(gè)社會(huì)發(fā)展的重要任務(wù)。對(duì)新能源的開發(fā)是可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

太陽(yáng)能發(fā)電是將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化成電能的發(fā)電方式，包括光伏發(fā)電，光熱發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電等，其中光伏發(fā)電是指利用光伏電池板將太陽(yáng)光輻射能量轉(zhuǎn)化為電能的直接發(fā)電方式，光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列，電纜，電力電子變換器，儲(chǔ)能元件，負(fù)載等構(gòu)成的發(fā)電與電能變換系統(tǒng)。有些大型光伏發(fā)電系統(tǒng)還有防雷保護(hù)裝置和計(jì)量裝置。光伏的電池板所產(chǎn)生的電傳輸中先經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的電纜傳輸?shù)娇刂破髦袑?duì)它進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換等，部分剩余的電能再送到儲(chǔ)能元件中，通過(guò)這個(gè)過(guò)程最終生成為用戶端或負(fù)載所能使用的能量。

眾多的光伏電池串在一起就是光伏電池陣列，它們通過(guò)并列組合在一起。太陽(yáng)光通過(guò)光伏電池的陣列接收然后成為電能。如圖1所示。

光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）、能源管理還有控制逆變器的輸出控制組合為控制系統(tǒng)。隨著環(huán)境的變化，比如系統(tǒng)所處的環(huán)境溫度或光照強(qiáng)度改變了，就會(huì)影響光伏電池最大輸出功率的I和U，對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤我們通過(guò)控制器使用控制算法對(duì)系統(tǒng)的操作點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，來(lái)發(fā)掘光伏電池發(fā)電的隱藏能量。不管外部環(huán)境如何變化，總是自動(dòng)跟蹤相應(yīng)的最大輸出點(diǎn)。

太陽(yáng)光發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載特性的一個(gè)光生伏打電池的特性是開始-停止，較大的負(fù)荷容量受到光伏系統(tǒng)輸出較大的沖擊，使其產(chǎn)生較大的波動(dòng)，嚴(yán)重的情況下還會(huì)引起如電機(jī)負(fù)載不能啟動(dòng)。光伏最大功率輸出加載我們可以通過(guò)調(diào)整實(shí)現(xiàn)。在該系統(tǒng)中負(fù)荷特性占據(jù)核心地位。我們一般使用轉(zhuǎn)換器的光伏陣列因?yàn)榘踩?，在光伏陣列輸出上我們可以把工程?fù)載接上去。

2 常用光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究

光伏陣列的輸出特性是非線性的，而且它的輸出受很多其他條件的影響，比如溫度，連接負(fù)載的情況和太陽(yáng)強(qiáng)度等等。如果希望最大程度的利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的話，需要始終跟蹤在MPP點(diǎn)，就需要控制器對(duì)光伏電池板及時(shí)隨時(shí)的控制其工作點(diǎn)，這一過(guò)程稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking簡(jiǎn)稱MPPT），使其不管外界環(huán)境怎樣變化，始終自動(dòng)跟隨MPP。這樣主要的目的是，使光伏陣列在不同的條件下，都能夠工作在輸出最佳的狀態(tài)，最大程度的利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電。

恒定電壓控制法雖然響應(yīng)快速穩(wěn)定，但是并不是真正的最大功率輸出。此外，CVT方法一般采用模擬電路實(shí)現(xiàn)，功能較差，未能充分利用DSP處理器強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力。隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和微控制器的在太陽(yáng)能發(fā)電中應(yīng)用的快速發(fā)展，CVT已經(jīng)基本被時(shí)代淘汰，很少使用了。

擾動(dòng)觀測(cè)法是一種自動(dòng)尋優(yōu)的MPPT控制方法，是研究最為廣泛的算法之一，也稱爬山法或登山法。擾動(dòng)觀察法是一種模塊化的控制回路，屬于簡(jiǎn)單的控制方法，跟蹤起來(lái)方法比較簡(jiǎn)單，相對(duì)容易完成實(shí)現(xiàn)，對(duì)所用的傳感器采集的參數(shù)的精度要求不是很高，不過(guò)最終控制的效果會(huì)可能出現(xiàn)一些周期的震蕩擾動(dòng)，還有如果在確定了擾動(dòng)的方向之后，如果想影響改變輸出電壓就必須在后面一個(gè)擾動(dòng)周期到來(lái)的時(shí)候才能改變，這就造成了一個(gè)結(jié)果就是在光伏電池的最大功率點(diǎn)的跟蹤時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)一系列擾動(dòng)，就會(huì)有浪費(fèi)一部分的光能和功率。而且當(dāng)環(huán)境條件變化劇烈時(shí)有可能導(dǎo)致MPPT失敗。

電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬時(shí)電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。這個(gè)方法也是需要用相關(guān)的一些傳感器來(lái)采集光伏陣列的I和U的。這個(gè)方法最好的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，在外部條件發(fā)生劇烈變化的時(shí)候，系統(tǒng)還是能夠很好的跟蹤到變化的趨勢(shì)方向，所以，電導(dǎo)增量法的控制精確度相對(duì)來(lái)說(shuō)很好，跟蹤變化的速度比較快，能夠滿足變化迅速的環(huán)境。當(dāng)然電導(dǎo)增量法也有缺點(diǎn)，該方法對(duì)硬件的需求來(lái)說(shuō)比較的高，計(jì)算量相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較大。

除了以上說(shuō)的這幾種基本的MPPT法以外，同時(shí)還研究有更多種算法能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電MPPT包括模糊邏輯控制法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，負(fù)載電流（或電壓）最大化方法，基于狀態(tài)的MPPT法，dP/dU（或dP/dI）反饋控制法，最優(yōu)梯度法等。

3 光伏陣列最大功率控制跟蹤控制仿真

盡管現(xiàn)在研究出了很多先進(jìn)的MPPT算法但是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法仍是實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的方法。其中電導(dǎo)增量法在環(huán)境條件發(fā)生一些變換，有擾動(dòng)時(shí)，相比于擾動(dòng)觀察法來(lái)說(shuō)，能以平穩(wěn)的方式跟蹤光伏陣列輸出功率的改變，基本能夠減少震蕩擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制的影響，功率的損耗大大減少很多，對(duì)于環(huán)境變化比較激烈的地方比較實(shí)用。因?yàn)樗鼘?duì)于MPPT的控制效果要比較好，像擾動(dòng)觀察法因?yàn)閿_動(dòng)生成的MPP的改變，它基本就能夠克服。因此本章主要研究對(duì)用電導(dǎo)增量法的控制器的仿真。

采用MATLAB/Simulink進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)Simulink內(nèi)建模塊搭建實(shí)現(xiàn)，也可用S函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

在本系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)中，以光伏陣列的電壓，電流作為S函數(shù)的輸入，以開關(guān)的導(dǎo)通占空比D為其輸出。對(duì)開關(guān)導(dǎo)通占空比D的控制可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光伏陣列輸出平均功率。

利用光伏電池模型建立的MPPT之電導(dǎo)增量法仿真模型為：

當(dāng)然也可以用S函數(shù)來(lái)構(gòu)建光伏電池的仿真模型。下文介紹的是用電導(dǎo)增量法跟蹤控制用S函數(shù)來(lái)構(gòu)建光伏電池的仿真模型的最大功率點(diǎn)，用以驗(yàn)證電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤的特性。

利用S函數(shù)構(gòu)建的光伏電池仿真模型建立的MPPT電之導(dǎo)增量法仿真模型為：

電導(dǎo)增量法基本可以準(zhǔn)確的跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)。在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，能以平穩(wěn)的方式跟蹤光伏陣列輸出功率的改變，基本能夠減少震蕩擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制的影響，功率的損耗大大減少很多。但是對(duì)于環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)電導(dǎo)增量法在跟蹤最大功率點(diǎn)是出現(xiàn)了短暫的擾動(dòng)現(xiàn)象，但是用兩種光伏電池仿真出來(lái)的結(jié)果都是一樣的，所以是控制器的問(wèn)題，對(duì)于電導(dǎo)增量法來(lái)說(shuō)，計(jì)算量相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較大的，計(jì)算過(guò)程中要一直重復(fù)微分計(jì)算，對(duì)控制器要求要高一點(diǎn)，尤其是運(yùn)算的速度，還有就是傳感器的采集數(shù)據(jù)精度同樣需要很高，不然的話，最后的控制結(jié)果就會(huì)達(dá)不到最初的要求，結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)一些震蕩、擾動(dòng)等。所以當(dāng)溫度改變出現(xiàn)的短暫的擾動(dòng)應(yīng)該是控制器沒有達(dá)到高速運(yùn)算的要求。但是在溫度改變時(shí)出現(xiàn)的擾動(dòng)很短暫沒有影響控制器對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，從整體上來(lái)看，電導(dǎo)增量法對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤準(zhǔn)確，響應(yīng)速度比較迅速。所以可以得出結(jié)論，用電導(dǎo)增量法對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤效果比較理想，基本上可以消除在最大功率點(diǎn)附近的擾動(dòng)和振蕩現(xiàn)象，在環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤還是比較迅速的，適用于環(huán)境變化比較快的場(chǎng)合。

4 結(jié)論

本論文主要的內(nèi)容是對(duì)性能較好，應(yīng)用廣泛的電導(dǎo)增量法進(jìn)行分析仿真，通過(guò)對(duì)在Simulink內(nèi)建模塊搭建的光伏電池和用S函數(shù)描述的光伏電池分別分析仿真。但是還存在一些缺點(diǎn)，在溫度發(fā)生改變時(shí)，電導(dǎo)增量法跟蹤最大功率點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)了短暫的擾動(dòng)現(xiàn)象，但從整體來(lái)看仿真結(jié)果基本正確，達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：

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