光伏發電輸出功率跟蹤與控制系統設計

徐瀟然

摘 要：針對光伏發電輸出功率受光輻照度、環境溫度等外部條件變化影響的問題，設計了光伏電池輸出功率跟蹤與控制系統。首先建立光伏電池的等效電路模型，基于此，分析光伏電池的功率輸出特性，然后設計光伏電池輸出功率的跟蹤與控制方法，最后通過仿真驗證光伏電池功率跟蹤與控制方法的正確性與有效性。

關鍵詞：光伏發電;功率特性;功率跟蹤;功率控制

中圖分類號：TM61 ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）2-0031-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.007

Design of Power Tracking and Control System for Photovoltaic Power Generation

XU Xiaoran

（School of Nursing and Health， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001，China）

Abstract：Aiming at the problem that the output power of photovoltaic power generation is affected by changes in external conditions such as light irradiance and ambient temperature， the author designs a photovoltaic cell output power tracking and control system. First， establish the equivalent circuit model of the photovoltaic cell. Based on this， analyze the power output characteristics of the photovoltaic cell， then design the tracking and control method of the photovoltaic cell output power， and finally verify the correctness and effectiveness of the photovoltaic cell power tracking and control method through simulation .

Keywords： photovoltaic generation; power characteristics; power tracking; power control

0 引言

近年來，隨著煤、石油、天然氣等傳統化石能源的日益緊張和環境問題的逐漸突出，國內外企業界與研究人員對太陽能、風能、潮汐能等可再生能源越來越關注，這成為解決未來電力與能源問題的重要發展方向與手段[1-2]。但是，太陽能受環境自然條件的影響，并不能持續地輸出穩定的電能。太陽能輸出的功率與光輻射強度、環境溫度等自然因素直接相關，這些環境參數將會對光伏發電的輸出功率產生影響[3]。因此，十分有必要在光伏發電設備中對太陽能輸出功率進行跟蹤，并將太陽能輸出的功率維持在最大輸出點，從而使系統盡可能多地產生電能，提高光伏發電的工作效率。

近年來，國內外的專家、學者在光伏發電的功率跟蹤與控制方面進行了大量的研究，并且取得了一系列成果。其中，主要包括電導增量法[4-5]，以及基于神經網絡[6-7]、模糊控制[7-8]、粒子群優化[9-10]等的智能控制方法。這些方法中，擾動觀察法最為簡單易行，便于硬件的實現，在工程實踐中得到了工程技術人員較多的關注，但是這種方法存在功率振蕩的問題。基于智能控制方法的光伏發電功率跟蹤與控制方法，可以充分考慮環境變量的影響，并且易于對光伏輸出功率進行準確控制，但這些方法存在運算量較大、不利于控制系統的實現等問題。

因此，筆者首先建立光伏發電系統中光伏電池的等效電路模型，然后結合光輻照強度、環境溫度等光伏電池的關鍵外部環境變量，分析光伏發電系統的功率輸出特性。基于此，設計光伏功率跟蹤與控制系統。最后，在MATLAB/SIMULINK環境下，通過仿真驗證設計的光伏功率跟蹤與控制方法的正確性以及可行性。

1 光伏電池模型與輸出特性

光伏電池通過光伏特效應可以將太陽能轉化為電能，是整個光伏發電系統中產生電能的關鍵元件。然而，光伏電池的自然特性使其并不能像常用的蓄能設備（如蓄電池、燃料電池）那樣，首先將太陽光所蘊含的自然能量儲存起來，然后根據需要再把相應的能量釋放出去。光伏電池只能根據光伏特效應將太陽光實時地變換為電能，通過電能轉換設備與輸電線路傳輸出去或直接供給本地負載消耗。

根據光伏電池內部工作原理與特性，可以得到其等效模型，如圖1所示，圖1描述了光伏發電系統中光伏電池的等效電路模型。圖1中，虛線框代表光伏電池的內部電路模型。在太陽光的照射下，光伏電池的光生電流可以等效為一個電流源，光生電流用Iph表示;DI為光伏電池內部等效的二極管，流過等效二極管的電流用ID表示;RP為光伏電池內部等效的旁漏電阻，也可以稱為并聯電阻，流過并聯電阻的電流用Ip表示，也可以稱為光伏電池等效電路模型的旁漏電流或并聯電流;RS為光伏電池的內部等效串聯電阻;RL為光伏發電系統后級電能變換部分等效而來的負載，忽略光伏發電系統電能設備自身的功率損耗等因素，并假定發電系統功率變換單元用到的器件均為立項元件，那么就可以認為負載電流與光伏電池輸出電流相等，在此用IC表示;VC表示光伏電池的輸出電壓。

根據圖1光伏電池的等效模型，可以得到光伏電池的輸出電流IC、溫度電壓VT分別表示為

[IC=Iph-IDexpVC+ICRSmVT-1-VC+ICRSRPVT=kTe]

（1）

式（1）中，m為二極管因數;k為玻爾茲曼常數;e為單位電荷。

由公式（1）光伏電池的輸出電流和電壓，即可繪制出在不同光輻照強度下的光伏電池功率輸出曲線，以及在不同環境溫度參數下的光伏電池功率輸出曲線，分別如圖2和圖3所示。

圖2中假定光伏電池所處的自然環境溫度是恒定的，由圖2可以看出，光輻照強度越大，光伏電池的輸出功率越大，并且隨著光伏電池開路電壓的增大，光伏電池輸出的功率呈現先增大后減小的趨勢，并且在功率曲線的某一點達到峰值，該峰值點是唯一的。

圖3中假定光伏電池收到的光輻照強度維持恒定，由圖3可以看出，在功率曲線的右側區域，溫度越低，光伏電池輸出的功率越大，并且隨著光伏電池開路電壓的增大，其輸出的功率仍然呈現先增大后減小的趨勢，其峰值電壓在特定的條件下是固定的，并且也是唯一的。

2 光伏輸出功率的跟蹤與控制

通過光伏發電系統中光伏電池的等效電路模型，以及不同光輻照度、環境溫度條件下的光伏電池輸出功率規律可知，在不同的環境條件下，為了使光伏電池盡可能多地輸出功率，需要將光伏電池的輸出電壓控制在一個合適的范圍內，進而實現光伏電池輸出功率的跟蹤，并且將其控制在一個較大功率值的范圍內。

圖4研究的光伏發電系統中光伏電池輸出功率的跟蹤控制策略示意圖。當光伏電池處于不同的環境溫度以及光輻照條件下時，該控制策略可以自動搜尋出來一個合適的光伏電池開路電壓，從而使光伏發電系統能夠盡可能多地輸出功率，提供給本地負載使用或者通過后級變換電路與輸電線路傳輸出去。

光伏電池輸出功率的跟蹤與控制算法的具體工作過程如下。首先，光伏發電系統的采樣單元實時檢測光伏電池的輸出電壓和輸出電流，并且計算當前光伏電池所產生的實際功率。然后，將當前時刻所計算出的功率與上一時刻計算出的暫存的功率值進行比較。如果當前時刻計算的功率值大于上一時刻暫存的功率值，則需要判斷當前時刻檢測到的光伏電池輸出電壓與上一時刻暫存的光伏電池輸出電壓的大小。如果當前時刻檢測到的光伏電池輸出電壓大于上一時刻暫存的光伏電池輸出電壓，那么就說明當前光伏電池輸出的功率分布在其功率輸出曲線的上升區域，這時就需要進一步增大光伏電池的開路電壓;如果當前時刻檢測到的光伏電池輸出電壓小于上一時刻暫存的光伏電池輸出電壓，那么這時就需要減小輸出電壓的參考設定值。如果當前時刻計算所得到的光伏電池輸出功率與上一時刻暫存的光伏電池輸出功率相比較小，并且當前時刻所檢測到的光伏電池輸出電壓大于上一時刻暫存的光伏電池輸出電壓，那么此時也需要對當前的光伏電池輸出電壓參考設定值進行減運算處理;反之，如果當前時刻檢測到的光伏電池輸出電壓小于上一時刻暫存的光伏電池輸出電壓，那么就需要對當前時刻的光伏電池輸出電壓的參考設定值進行加運算處理。通過以上過程，進行反復計算、比較、判斷處理，就可以搜尋到光伏電池輸出功率的最佳工作點，即光伏電池的最大輸出功率點。此時，從源頭上來說，光伏發電系統的輸入前端可以在相同的光輻照度、環境溫度等自然條件下產生盡量多的能量供光伏發電系統的后級環節進行電能變換，然后由光伏發電系統提供給本地負載消耗或者通過輸電線路進行傳輸。

3 仿真分析

為了驗證所設計的光伏發電系統輸出功率的跟蹤與控制策略的正確性以及其在實際工作的效果，在MATLAB/SIMULINK的仿真環境下，搭建了光伏發電系統的仿真模型。在仿真模型中，設定光伏電池工作的環境溫度為25 °C，并假定其維持恒定不變，在0～0.1 s時間段內假定光輻照強度為600 W/m2，然后光輻照強度突變為1 000 W/m2。

基于設計的光伏發電系統輸出功率跟蹤與控制方法，進行仿真研究，得到的光伏發電系統輸出電流、輸出電壓以及輸出功率的跟蹤與控制仿真結果如圖5所示。由圖5可以看出，隨著光輻照強度的變化，光伏電池的輸出電流、輸出電壓、輸出功率可以得到準確的跟蹤與控制，使得光伏電池能夠最大可能地產生電能，以最大功率向負載輸出功率或通過線路傳輸。

4 結語

筆者以光伏發電系統為研究對象，針對光伏發電系統的光輻照強度、環境溫度等變化條件下的光伏電池輸出功率跟蹤與控制問題進行了研究。首先建立了光伏電池的等效電路數學模型，然后分析了光伏電池在不同光輻照強度、環境溫度等外部自然條件下的功率輸出特性，并且設計了光伏電池輸出功率的跟蹤與控制系統，最后結合本研究內容搭建了光伏發電系統的仿真模型。仿真結果驗證了所設計的光伏電池功率跟蹤與控制方法的有效性與合理性。結果表明，所設計的光伏發電系統輸出功率跟蹤與控制方法可以快速準確地跟蹤光伏電池產生的功率，進而提高光伏發電系統的工作效率，并且以最大功率為本地負載提供電能或通過后級的輸電線路進行功率傳輸。

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