太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電中最大功率點追蹤的仿真研究*

李宏俊 ， 劉 薇 ， 胡開明

（1.東華理工大學(xué)長江學(xué)院，江西 撫州 344000；2.東華理工大學(xué)江西省新能源工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330013）

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，化石能源緊缺和環(huán)境問題越來越嚴重，過度使用化石能源造成了全球的能源危機，也影響了人類賴以生存的環(huán)境[1]。由于化石能源愈發(fā)匱乏的情況開始顯現(xiàn)，人們對可再生能源青睞有加。因此，逐漸開始將目光轉(zhuǎn)向可再生能源，眾所周知，太陽能是一種干凈環(huán)保的可再生能源。采用太陽能發(fā)電具有沒有污染和噪聲、環(huán)保、規(guī)模可控、維護方便以及安全可靠等優(yōu)點[2]。其中更重要的一點是太陽能資源的儲量豐富，因此世界各國都將焦點聚集于此。光伏發(fā)電是將太陽能資源充分利用的有效途徑之一，但是光伏電池板轉(zhuǎn)換率太低[3]，為了提高整個光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率，就需要提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，這就體現(xiàn)出最大功率點跟蹤技術(shù)在光伏系統(tǒng)中的重要意義。基于此，本文針對光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤技術(shù)展開MATLAB仿真分析，以便提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化率。

1 太陽能光伏特性及并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

1.1 光伏電池特性

光伏電池工作原理是基于半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)光照到半導(dǎo)體上時，半導(dǎo)體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)[4]。當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫作光生電壓。一些特殊材質(zhì)受到光照后會發(fā)生光效應(yīng)，光效應(yīng)可以將太陽能轉(zhuǎn)化成其他形式的能量。圖1為光伏電池的電路等效原理圖。

圖1 光伏電池等效原理圖

由圖1可得光伏電池的數(shù)學(xué)模型為：

式（1）中，I為光伏電池的輸出電流（A），Iph為暗生電流（A），Id為光生電流（A），Ish為光伏電池等效串聯(lián)電阻的電流（A）。

其中，

從圖1來看，可把光伏電池模型等效看作一個二極管，當(dāng)光照強度或溫度不變時，Iph也不發(fā)生變化，所以便可看成一個電流源。Rs是串聯(lián)等效電阻，Rsh為旁路電阻，與電池的泄漏電流成反比，泄漏電流越大，Rsh越小；反之，Rsh越大。

根據(jù)上述光伏電池等效電路，在參考條件下，有四個重要參數(shù)：短路電流Isc，開路電壓Uoc，最大輸出功率點電流Im，最大輸出功率點電壓Um，如果外界光照強度和溫度發(fā)生變化，這四個參數(shù)也會發(fā)生不同程度的變動，但是只要維持在標準情況，這四個參數(shù)可以視為定值。因此可以得到公式（3）：

其中，

當(dāng)外界環(huán)境出現(xiàn)變化時， 可由式（3）、（4）、（5）計算得出新Isc、Uoc、Im、Um變化值。參考條件取標準狀態(tài)下溫度Tref=25 ℃，光照強度Sref=1000 W/m2，短路電流Isc=10.8 A，開路電壓Uoc=320 V，最大功率電流Im=8.9 A，最大功率電壓Um=249 V。據(jù)此搭建MATLAB仿真模型，并對光強變化和溫度變化進行驗證。得到仿真曲線如圖2、圖3所示。保持溫度25 ℃不變時，光照強度由1000 W/m2在0.1 s上升到1200 W/m2，在0.3 s上升到1400 W/m2，在0.5 s降低到800 W/m2，0.1 s后降低到600 W/m2。

由圖2、圖3可觀察得出溫度不變時，光照強度隨著時間改變而減小，最大功率點的輸出電流值也隨之變小，輸出電壓也變小，Uoc變小，最大功率P降低。光照強度能夠較大幅度影響開路電壓Uoc變化。

圖2 溫度不變時U-P曲線

圖3 溫度不變時U-I曲線

取光照強度1000 W/m2不變時，溫度由25 ℃在0.1 s降低到15 ℃，在0.3 s上升到30 ℃，而在0.5 s上升到40 ℃。可以得到光照不變時U-I曲線與U-P曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 光照不變時U-I曲線

圖5 光照不變時U-P曲線

由圖4與圖5可知，在光照不變的情況下，溫度對開路電壓Uoc影響較大，隨著溫度值的增大Uoc變小，短路電流Isc小幅度增大，Im增加Um減小。可得出溫度變化能較大幅度影響Isc的變化。

通過對太陽能電池的仿真分析可以發(fā)現(xiàn)：光伏電池的輸出特性具有很強的非線性特征，光照強度S、環(huán)境溫度T和負載情況等因素會對其產(chǎn)生明顯的影響[5]。為了充分利用光伏電池轉(zhuǎn)換的能量，以提高整個系統(tǒng)的能量利用率，需要光伏電池始終處于最大功率輸出的狀態(tài)。因此，需要在光伏電池板和負載之間增加最大功率點跟蹤控制裝置，使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崟r地跟蹤最大功率點。

1.2 并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電采用雙極型結(jié)構(gòu)，即前級DC/DC部分和后級DC/AC部分[6]。其中光伏陣列和Boost升壓斬波電路構(gòu)成了前級；三相全橋逆變電路、蓄電池以及電網(wǎng)作為后級。包括前級DC/DC雙升壓斬波（Boost）電路和后級逆變DC/AC兩部分組成。光伏陣列產(chǎn)生的不穩(wěn)定直流電經(jīng)過最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT）處理后控制前級DC/DC端Boost電路功率管的開斷，完成最大功率跟蹤的任務(wù)的同時形成穩(wěn)定的直流電壓信號，輸出的直流電再經(jīng)過逆變器逆變（DC/AC）電路后形成正弦交流電，經(jīng)濾波整形后接入電網(wǎng)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能較好地維持電壓、電流的平穩(wěn)運行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 最大功率點跟蹤設(shè)計

2.1 最大功率點跟蹤技術(shù)

最大功率點跟蹤（MPPT）是為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率，使光伏電池始終處于最大功率輸出的狀態(tài)，這就需要在光伏電池板和負載之間增加最大功率點跟蹤控制裝置，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崟r地跟蹤最大功率點[7]。MPPT控制策略是通過測量光伏電池的實時輸出功率，采用相應(yīng)的控制算法來預(yù)測此時條件下光伏電池的最大功率點，通過改變負載或當(dāng)前電壓、電流等值來達到能夠滿足跟蹤最大功率點的要求[8]。這樣，不管太陽光的輻射強度如何變化，也不論外界溫度怎樣變化使光伏電池的輸出功率減少還是增加，系統(tǒng)都會自動通過MPPT技術(shù)實時跟蹤當(dāng)前的最佳工作點，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。

2.2 最大功率點跟蹤設(shè)計

擾動觀察法是目前一種較好的實現(xiàn)最大功率點跟蹤的方法，其是通過對電池輸出電壓不斷擴大或縮小步長來實現(xiàn)擾動，通過變化前后的功率比較計算來確定下一次的電壓擾動變化，直到達到最大功率輸出[9]。保證MPPT的執(zhí)行速度不低且最大功率跟蹤精度較高，需采用變步長擾動，根據(jù)改變步長的前后功率來判斷步長的增減。MPPT執(zhí)行擾動時，為了避免出現(xiàn)震蕩的情況，擾動步長設(shè)計最大一般為2 W，ΔP＞2 W時，設(shè)計的MPPT將以最大擾動步長進行擾動；當(dāng)0.5 W＜ΔP＜2 W時，步長值設(shè)計成與功率震蕩值成正比的數(shù)值，ΔV=2V*(ΔP/2 W)。ΔP＜0.5 W時，MPPT工作在最大功率點處Pmax，步長將不作調(diào)整，等到下個周期繼續(xù)判斷是否需要擾動，其工作流程圖如圖7所示。

圖7 工作流程圖

若光伏電池當(dāng)前運行點和Pmax所處點距離相對較大時，便增加步長去擾動[10]，這樣便可以較快到達Pmax；若光伏電池當(dāng)前運行點和Pmax所處點距離相對較小時，便減少步長去擾動，通過對比兩次連續(xù)功率采樣值，其差值已經(jīng)在要求精度范圍之內(nèi)，說明當(dāng)前已經(jīng)運行在Pmax處。利用這樣的方法，以此驗證MPPT是否正確可行，而整個最大功率跟蹤過程既可確保仿真時間，也可確保精度要求。

3 仿真調(diào)試

構(gòu)建最大功率跟蹤的擾動觀察法MATLAB仿真模型，光伏電池的輸出電壓、電流、輸出功率分別如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 光伏電池輸出電壓

圖9 光伏電池輸出電流

從仿真曲線可以看出改變光照強度在0.3 s時由1000 W/m2變化到800 W/m2，光伏電池輸出電流能夠在0.05 s后，輸出電壓在0.2 s后，最大功率在0.15 s后也能夠穩(wěn)定在一個值，說明所設(shè)計的MPPT有效可行。

4 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，能源逐漸供不應(yīng)求且需求量越來越大，太陽能作為一種清潔無污染的能源，利用價值可觀。如何提高太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電效率是核心內(nèi)容，本文通過對太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的最大功率點跟蹤進行研究，通過MPPT控制，實現(xiàn)最大功率因數(shù)并網(wǎng)，使系統(tǒng)處于最大功率點，提高了并網(wǎng)發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，在實際中有一定的應(yīng)用價值。