光伏電池建模以及MPPT仿真分析

刁明君

（青島大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 青島266071）

0 引 言

一次能源的使用越來越多，但是總量卻是有限的，與此同時(shí)造成的環(huán)境污染問題也很嚴(yán)重，所以二次能源的開發(fā)與利用亟待快速發(fā)展。光伏發(fā)電是一種清潔、安全、可靠的發(fā)電模式，是一個(gè)熱門研究方向。光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤是必須解決的問題，其中擾動(dòng)觀察法是實(shí)現(xiàn)MPPT的重要方法之一。

1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

太陽能電池表面由兩種不同的材料組成，一種是P型區(qū)，空穴多，另一種是N型區(qū)，自由電子多。當(dāng)陽光照到電池板時(shí)，在兩者的接觸面就會(huì)形成一種特殊的薄膜，在太陽能提供能量下，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)區(qū)域多子的漂移，來減少兩個(gè)區(qū)域少子的濃度差。這個(gè)過程持續(xù)下去，就能在兩個(gè)區(qū)域之間產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)將兩個(gè)區(qū)域如果短接的話，就能形成電流。

如圖1所示，由基爾霍夫定律KCL、KVL可以得到光伏電池的輸出電流I：

圖1 光伏電池等效電路模型

設(shè)光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下（S＝1 000 W／m2，T＝25℃）的開路電壓為Uoc，短路電流為Isc，最大功率點(diǎn)電壓為Um，最大功率點(diǎn)電流為Im，結(jié)合工程實(shí)際，光伏電池的輸出特性方程可表示為［1］：

其中：

采用的光伏電池是單晶硅類型時(shí)，工程上a、b、c的 典 型 取 值 分 別 為 0.0025℃－1、0.5 m2／W、0.00288℃－1。

1.2 光伏電池的輸出特性

如圖2所示，影響光伏板輸出電流大小的因素從公式（3）可以看出，光照強(qiáng)度、溫度以及光伏板電壓給定的參考值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行校驗(yàn)以貼合實(shí)際。

圖2 光伏電池的模型

1.3 仿真結(jié)果分析

將上述子系統(tǒng)進(jìn)行模型封裝后，模塊參數(shù)采用實(shí)驗(yàn)室光伏板的實(shí)際參數(shù)，設(shè)置參數(shù)如表1，實(shí)驗(yàn)?zāi)M外界出現(xiàn)不同環(huán)境情況時(shí)，光伏電池的輸出特性，仿真如圖3所示。

表1 光伏板參數(shù)

圖3 光伏電池的輸出特性

2 驗(yàn)證改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法

為了驗(yàn)證方法的可行性，本文以Boost變換器作為DC／DC變換電路，建立了仿真模型如圖4所示。

改變光照和溫度，驗(yàn)證MPPT的可行性，仿真結(jié)果如圖5～6所示。

首先驗(yàn)證MPPT的瞬時(shí)特性，系統(tǒng)光照強(qiáng)度保持不變（S＝1 000 W／m2），溫度在時(shí)間t＝0.5、1、1.5 s時(shí)突變，溫度由35℃→25℃→15℃→5℃，與圖3（c）對(duì)照可見，系統(tǒng)在溫度突變后可以很快地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，如圖5所示。

系統(tǒng)溫度保持不變（T＝25℃），光照強(qiáng)度在時(shí)間t＝0.5、1、1.5、2、2.5 s時(shí) 突 變，光 照 強(qiáng) 度 由1 000 W／m2→800 W／m2→600 W／m2→400 W／m2→200 W／m2，與圖3（a）對(duì)照可見，系統(tǒng)在光照強(qiáng)度突變后可以很快地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，如圖6所示。

隨后驗(yàn)證了最大功率點(diǎn)跟蹤在溫度或光照強(qiáng)度緩慢變化時(shí)的特性，仿真圖7。首先讓光伏板正常工作在穩(wěn)定狀態(tài)（S＝1 000 W／m2，T＝35℃），從t＝0.5 s開始，假設(shè)光照強(qiáng)度恒定，溫度T開始緩慢遞減，每秒遞減10℃，比較圖7與圖5，特定溫度下的功率基本相同，所以，該系統(tǒng)在溫度變化不明顯或者比較慢的情況下，也能夠跟蹤最大功率點(diǎn)。

圖4 仿真電路模型

圖5 S＝1 000 W／m2時(shí)溫度變化的 MPP跟隨圖

圖6 溫度25℃光照強(qiáng)度變化的最大功率點(diǎn)跟隨圖

圖7 溫度緩慢變化時(shí)的MPP跟隨圖

3 結(jié) 論

本文對(duì)光伏電池的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了仿真分析，用實(shí)際型號(hào)的光伏板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì)校正，通過仿真結(jié)果分析出模型的合理性。采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，基于Boost升壓電路可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，利用Matlab／Simulink搭建了仿真模型，進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了方法的可行性。

改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法仍有改善的余地，使其速度和精度更高，還需進(jìn)一步研究。