基于MATLAB的光伏MPPT仿真研究

張紅光，宋吉江，翟義成，陳 潔，劉圓圓

（山東理工大學電子與電氣工程學院，山東淄博255091）

光伏陣列最大功率跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）控制是光伏系統的重要組成部分，其目的是使光伏陣列始終輸出最大的功率．只有功率最大輸出才能夠充分地利用太陽能，減少損耗．目前太陽能電池直接獲得的能量不穩定，即電壓電流隨著光照和溫度是可變的．為了解決這一問題，加入了DC／DC功率轉換模塊，使得輸出的電壓基本穩定，能量得到最大利用．本文采用優化的MPPT算法，并通過模擬仿真的方式來驗證該算法是否可行．

1 光伏電池特性分析

1．1 光伏電池數學模型

根據圖1所示的光伏電池的等效電路，可以得到光伏電池的輸出特性表達式［1－2]：

式中：IO表示二極管反向飽和電流；q表示電子荷；K表示波爾茲曼常數；T表示絕對溫度；A表示二極管因子；U表示光伏電池輸出電壓；I表示光伏電池輸出電流；Rs表示電池內阻；Rsh表示二極管反向飽和漏電流．

式（1）中的各項參數與電池的溫度和光照有關，而且也很難確定，且在工程應用中不常使用．通常情況下，依據電池的特性參數簡化物理模型，得到工程數學模型［3]

圖1 光伏電池等效電路圖

根據（2）—（4）式，利用MATLAB／simulink模塊建立光伏電池的仿真模型．如圖2所示．

圖2 光伏電池模型

1．2 輸出特性分析

不同溫度下的輸出特性曲線如圖3和圖4所示

圖3 不同溫度下的P－V曲線

圖4 不同溫度下的I－V曲線

隨溫度變化而改變從仿真曲線可以看出，光強一定時，光伏電池最大功率；輸出電流基本上不變；光伏電池功率輸出呈非線性，隨著輸出電壓的增大，功率有一個最大值，有必要進行最大功率點的跟蹤．

2 MPPT仿真算法分析

光伏整列正常工作時，輸出電壓以微小值不斷波動靠近最大功率點時的電壓值，在輸出電壓變化的同時，檢測輸出功率變化的方向，從而確定下一次變化方向，確定下一次輸出電壓參考值的大小．算法流程圖如圖5所示．

圖5 控制算法流程圖

Matlab／Simulink中搭建仿真模型如圖6所示．擾動步長大小的確定尤為重要，擾動步長太小，到達穩態后精度較好，但跟蹤時間長且系統動態性能較差；擾動步長太大，跟蹤時間雖縮短，但到達穩態后精度會變差．該算法通過加入滯環來實現擾動，通過改變步長值，并對光伏系統模型進行仿真，最終得出步長取0．01仿真效果最為理想［4]．光伏系統輸出功率曲線如圖7所示．

3 仿真實驗

根據以上算法建立的模型，參考電池參數為開路電壓42V，短路電流4．5A，峰值電壓34V，峰值電流4A［5]．在光伏電池后加入功率轉換電流DC／DC模塊，采集電壓電流后控制pwm模塊來實現最大功率點跟蹤．光照和溫度由階躍信號提供，光照由1kW下降到0．8kW后系統能夠快速響應，并穩定在一定值．如圖7所示，分別是電壓、電流、功率跟蹤曲線．

4 結束語

本文采用MATLAB中的simulink模塊對光伏電池及MPPT控制模塊進行了仿真驗證，證明具有可行性．雖然光伏電池模型沒有使用S函數編寫，精確性有所下降，但是這樣的模型方便使用，同時還可以作進一步改進．

圖7 功率跟蹤曲線

［1] 王立喬，孫孝峰．分布式發電系統中的光伏發電技術［M] ．北京：機械工業出版社，2010：25－35．

［2] 王長貴，王斯成．太陽能光伏發電實用技術［M] ．第二版．北京：北京化學工業出版社，2009：33－46．

［3] 高厚磊，田佳，杜強，等．能源開發新技術－－分布式發電［J] ．山東大學學報：工學版，2009，39（5）：107－108．

［4] 周德佳，趙爭鳴，吳理博，等．基于仿真模型的太陽能光伏電池陣列特性的分析［J] ．清華大學學報：自然科學版，2007，47（7）：1 109－1 112．

［5] 唐渝，趙莉華．光伏發電的最大功率點跟蹤控制［J] ．電源世界，2010（6）：48－51．