改進(jìn)電導(dǎo)增量法控制光伏電池MPPT仿真研究

吳靜妹 紀(jì) 萍 陶彬彬

（河海大學(xué)文天學(xué)院 安徽馬鞍山 243002）

太陽能光伏電池因受到外界環(huán)境的影響如光照強(qiáng)度（S）、溫度（T）、負(fù)載（L）等，其輸出的特性曲線呈現(xiàn)出非線性性質(zhì)[1]。當(dāng)輸出電壓僅為某一特定電壓時PV電池下才會輸出最大功率，即工作點在P-U曲線的最高點，此點稱為PV電池最大功率點[2-3]。為了有效利用PV電池提高光電轉(zhuǎn)換效率，對其進(jìn)行最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）就顯得尤為重要。

一、光伏電池數(shù)學(xué)模型

根據(jù)PV電池工作原理可知，其基本特性與二極管特性相似[4-6]，等效電路如圖1所示：

圖1 光伏電池等效電路

由圖1可得PV電池數(shù)學(xué)表達(dá)式：

圖中Rs為串聯(lián)等效電阻；Rsh為并聯(lián)等效電阻，與Rsh相比Rs阻值較小，所以可以忽略，最終得到PV電池輸出電流數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

輸出功率數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

開路輸出電壓數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

其中，I：光伏電池的輸出電流；Iph：電池光生電流；Id：流過二極管的電流；Ish：流過內(nèi)部并聯(lián)電阻的電流；Io：二極管反向飽和電流；k：卡爾茲曼常數(shù)；λ：輻射強(qiáng)度；T：陽能電池的絕對溫度；Isc：短路電流；Voc：開路電壓；q：電子電量；A：無量綱的任意曲線的擬合常數(shù)（1≤A≤2）；I：為太陽能電池輸出電流；V ：為太陽能電池輸出電壓。

由上述PV電池數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simlink中搭建其仿真模型。當(dāng)光照強(qiáng)度為1000W/m2，外界環(huán)境溫度由25oC變?yōu)?0oC、56oC時，其仿真輸出I-U和P-U特性曲線如圖2所示：

圖2 光照強(qiáng)度不變溫度發(fā)生變化時輸出特性曲線

當(dāng)外界環(huán)境溫度為25oC，光照強(qiáng)度由1000W/m2變?yōu)?00W/m2、600W/m2時，其仿真輸出特性曲線如圖3所示：

圖3 溫度不變光照強(qiáng)度發(fā)生變化時輸出特性曲線

從仿真輸出波形可以看出，在一定的恒定T和S下存在PV電池輸出存在最大功率點。但是，在實際情況下，隨著外界環(huán)境T和S的變化PV電池輸出的電壓、電流和最大功率點都會發(fā)生變化，這就降低了光伏工作效率。為了使PV電池在任何S和T下都可以獲得最大功率輸出，必須要進(jìn)行MPPT控制。

二、太陽能光伏電池最大功率點跟蹤研究

目前MPPT的實現(xiàn)方法有很多[7-9]：（1）固定電壓跟蹤法（CVT）：該方法優(yōu)點在于控制方法簡單，易于實現(xiàn)；缺點在于當(dāng)溫度變化的影響不能被忽略時，必然會影響光伏電池工作的最佳功率點，控制精度低；（2）擾動觀測法（P&O）：該方法原理簡單易于實現(xiàn)，但其追蹤精度和步長有關(guān)，步長越長精度越低，步長過小追蹤時間就會變長，同時隨著輸出電流的下降，開關(guān)頻率會上升損耗也隨著增加；（3）電導(dǎo)法增量（IC）：該方法相比CVT和P&O方法控制精確度高、響應(yīng)速度快，一般應(yīng)用在外界環(huán)境變化較快的場合。但是，傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法是通過比較dI dV與-I V的大小來判斷最大功率點。在跟蹤某一個固定電壓和電流產(chǎn)生的P-V曲線時，效果比較好。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，電壓電流發(fā)生變化，P-V曲線也隨之變化，在跟蹤過程中就會從一個曲線跳變到另一條曲線，這樣就會出現(xiàn)dV=0的情況，此時dI dV=∞，這就需要額外添加判斷過程，比較麻煩[10]。基于此，本文采樣改進(jìn)電導(dǎo)增量法對PV電池進(jìn)行MPPT控制。下面詳細(xì)介其工作原理。

改進(jìn)型電導(dǎo)增量法是通過比較dP*dV與0的大小來判斷最大功率點。當(dāng)dP*dV＞0時，即工作點在最大功率點Pmax左側(cè)，此時需要增大參考電壓；當(dāng)dP*dV＜0時，即最大功率點Pmax在工作點的左側(cè)，則需減小參考電壓；當(dāng)dP*dV=0時，存在兩種情況：（1）dP=0,dV≠ 0，即工作點在最大功率點Pmax上，參考電壓不變，（2）dP ≠ 0,dV=0，即外界環(huán)境發(fā)生變化，跟增在不同的P-V特性曲線上，參考電壓可暫時不變，返回重新進(jìn)行檢測比較，進(jìn)行下一論的最大功率點跟蹤。如此反復(fù)最終跟蹤到最大功率點。其控制流程圖如圖4所示。

圖4 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法MPPT控制流程圖

三、MPPT的MATLAB仿真實現(xiàn)

根據(jù)上述跟蹤原理，利用Matlab/Simulink仿真平臺，建立改進(jìn)型電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真模型，如圖5所示。

圖5 改進(jìn)型電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真模型

當(dāng)外界溫度T=25°C，光照強(qiáng)度由600W/m2上升為1000W/m2時，MPPT控制仿真輸出如圖6所示。

圖6 溫度不變光照發(fā)生改變時MPPT仿真輸出波形

分析：從仿真輸出波形可知，在1s時刻外界光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，光伏電池輸出能夠快速地，準(zhǔn)確地跟蹤PV電池輸出的最大功率點。

四、結(jié)論

文章首先介紹了PV電池非線性輸出特性及數(shù)學(xué)模型，并仿真驗證了其輸出特性。然后，介紹了MPPT常用的控制算法優(yōu)缺點，并針對缺陷，提出了改進(jìn)型MPPT 算法。最后，利用Matlab/imulink仿真平臺對改進(jìn)型MPPT控制算法進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：在外界環(huán)境發(fā)生變化的情況下，該方法可以快速地，準(zhǔn)確地跟蹤PV電池輸出的最大功率點，提高發(fā)電效率。