基于擾動法的MPPT光伏系統研究

浙江工業職業技術學院 王堅鋒

基于擾動法的MPPT光伏系統研究

浙江工業職業技術學院 王堅鋒

對光伏電池模型進行分析，并根據光伏電池功率輸出的特性，提出基于最大功率追蹤法控制光伏系統必要性。設計了改進的擾動法，給出了系統的控制流程。對系統進行建模仿真，結果顯示改進的擾動法MPPT光伏控制系統響應速度快，穩定性好，功耗低。

光伏系統；MPPT；擾動法

0 引言

目前，傳統能源枯竭嚴重，發展太陽能等新型綠色能源是國家能源戰略的方向。目前，對太陽能利用的辦法，主要途徑有光伏太陽能發電。太陽能的功率輸出受到氣象因數的影響非常大。太陽能的輸出功率是隨時變化的，追蹤太陽能的最大功率輸出，對太陽能進行有效利用意義重大。

MPPT算法主要有恒定電壓法，擾動法和電導增量法等。恒定電壓控制法控制相對簡單，但是MPPT控制的精度比較低。電導增量法的控制效果好，但是控制比較復雜，控制系統實現難度大。相對而言，擾動法的控制思想成熟，實現方便，而且對系統的利用率較高，工程實用性強。本文提出一種基于改進擾動法的MPPT光伏系統實現方案，該方案能夠較好的跟蹤最大功率，并且跟蹤速度快。

1 光伏模型建立

圖1是光伏電池的物理模型。光伏電池的輸出特性曲線隨著溫度和照度的改變而變化。光照產生的電流IL主要取決于光照強度的影響,不受外接負載大小影響,可以等效為電流源。電流在負載RL上產生U的壓降，同時U通過二極管產生大小為Id的電流。用電阻Rs表示光伏電池內阻。由于電池邊沿的漏電及制作金屬電極時在電池的微裂紋、劃痕等處形成金屬橋漏電等，使一部分電流被短路，可通過并聯等效電阻Rsh表示[1]。

圖1 光伏電池的電路模型

其輸出特征方程[2-3]：其中，I為電池輸出電流；U為電池輸出電壓；IO為反向飽和電流。

通過太陽能光伏電池的物理模型及其等效物理特征方程，根據其電流電壓間的相互關系可以獲得U-I特征曲線。圖2為太陽照度1000瓦每平方米，T為25攝氏度的I、P和U關系曲線。

圖2 光伏電池U-I和U-P特性曲線

光伏電池的輸出主要受到溫度和光照強度兩個因數的影響。圖3和圖4分別描述了光照強度對U-I和U-P曲線的影響，可以看出光照強度的變化不會引起U-I和U-P曲線形狀的太對變化。

圖3 光照強度對U-I曲線的影響

圖4 光照強度對U-P曲線的影響

圖5 和圖6分別描述了溫度對U-I和U-P曲線的影響，當溫度升高時，U-I特性曲線左偏，相當于電壓值減少；功率曲線也會發生左偏，并且最大功率點明顯下降。

圖5 溫度對U-I曲線的影響

圖6 溫度對U-P曲線的影響

通過對光伏電池輸出特性的分析可知，光照強度和環境溫度對光伏電池的輸出特性都會產生影響。通過U-P曲線可以看出，最大功率點在U的中間值部分，兩頭則功率都會相應的減少。所以為了輸出功率最大化，必須使得輸出電壓在某一較大值區間，還要綜合考慮電流的輸出要在較大值。所以，光伏電池的最大功率輸出是一個點，為了有效利用光伏電池的能源，必須對光伏系統采用最大功率點跟蹤控制。

2 擾動觀測法

擾動法通過給定一個擾動觀察輸出值變化，并且根據變化值來逐步逼近最優值，是工程上比較能夠可靠實現的辦法。開始的先對電流和電壓進行采樣，并且計算出功率和電壓的變化量，判斷如果功率變化量△P超過了設定步幅寬度Pth,則采用寬步幅VSTP2，否則采用正常步幅VSTP1，相當于，當功率變化量較大的時候，采用寬步幅，而當功率變化量較小時，采用正常步幅。通過增加一種步幅，改進擾動的較大的提高了逼近的速度，并且可以降低功耗。圖 7為擾動法的計算機程序控制流程。

圖7 擾動法改進后的控制流程圖

3 建模仿真

設計光伏系統結構如圖8所示。利用 Matlab/Simulink 建立仿真模型。仿真模型的參數：L=8mH，光伏整列輸出端電容47μF（CPV），負載端電容1000μF（Cdc），負載為純阻性負載 R=80， PI 控制的比例放大倍數為 P=4，脈寬調試頻率f=5kHz，積分環節參數P=20。 仿真結果如圖8，在圖中1.5s時刻，對電壓值進行突變，來觀察擾動法的控制效果。擾動法經過改進后步長優化為 Vstp1=10mV 和 Vstp2=2mV。由仿真結果可以看出，通過改進的擾動法一定程度上能夠增加尋優速度，功率波動較少，損耗也較少。

圖8 光伏系統結構設計

圖9 仿真結果

4 結論

本文對光伏系統建模進行了分析，并根據光伏系統的特點，闡述基于MPPT算法對光伏系統控制的必要性。設計了光伏系統結構，并采用改進的擾動法最大功率追蹤控制算法進行控制。采用MATLAB進行系統仿真，結果顯示改進的擾動法在追蹤速率方面有所提高，系統功耗有所下降。

[1]吳春華．光伏發電系統逆變技術研究[D]．上海大學博士論文,2008．

[2]Villalva M G,Gazoli J R,Filho E R．Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J]．IEEE Transaction on Power Electronics,2009,24(5):1198-1208．

[3]黃躍杰．新型光伏發電系統的控制策略研究[D]．上海大學碩士學位論文,2005

[4]Femia N,Petrone G,Spagnuolo G,et al．Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method[J]．IEEE Transactions on Power Electronics,2005,20(4):963-973．

王堅鋒（1983—），男，浙江泰順人，講師，現供職于浙江工業職業技術學院電氣工程分院。