基于改進MPPT的光伏發電系統仿真研究

劉立立，林永君,劉衛亮

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003)

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基于改進MPPT的光伏發電系統仿真研究

劉立立，林永君,劉衛亮

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北保定071003)

光伏發電系統中，對電源的輸出功率進行最大功率點跟蹤(MPPT)是極其重要的。為了提高光伏電池的發電效率，提出了一種改進的擾動觀察法進行最大功率跟蹤，不僅能很快很準地跟蹤最大功率，而且能使系統的穩定性得到保持。通過對逆變器的控制策略進行研究，提出了一種雙閉環控制方式，能夠保持輸出電壓穩定，滿足微網孤島運行要求。通過仿真結果，可以看出該方法的有效性與可行性。

光伏發電；仿真；改進最大功率跟蹤；雙閉環控制

0 引言

能源供求問題越來越嚴重，為了使地球環境得到改善，人們越來越重視新能源的開發和利用，尤其是可再生能源的利用[1]。分布式發電是利用可再生的新能源(如太陽能、風能、潮汐能等)進行發電，使各種可用的能源能夠得到充分地開發與利用，并且使能源的利用率得到明顯提高[2]。除此之外，還可以保護環境、節約能源。所以分布式發電的前景很好。

光伏發電是目前研究比較多的一種發電技術，研究其并網運行和孤島運行都具有非常重要的價值，并且應用前景十分廣闊，具有無污染、可再生、資源普遍性、通用性、可存儲性、分散性等顯著優點[3-5]。

為了解決發電貧困區的用電問題，在西北偏遠地區建立了小型光伏發電站，使太陽能得到了充分地開發與利用。將太陽能轉換為電能，不僅可以解決部分無電人口的供電問題，還可以解決邊遠地區的通訊問題，提高了西部地區的經濟水平，且改善了生態環境。所以研究光伏發電系統顯得尤為重要[6,7]。

本文首先分析了光伏電池的輸出特性曲線，然后搭建了光伏發電系統模型，逆變器控制采用電流電壓雙閉環控制，并在Matlab/Simulink環境中進行仿真。

1 光伏電池特性分析

光伏電池本身不具備發電能力，是通過光電效應將光能轉化成電能的裝置。光伏效應就是當光伏電池受到外界光照時，其內部的電荷發生運動而產生電流和電動勢的一種效應。光伏電池的工作原理可以用單二極管等效電路來進行描述[8]，其等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

根據基爾霍夫電流定律能得到太陽能光伏電池產生的電流I，即：

(1)

式中：I為光伏電池輸出的電流，A；Il為光伏電池產生的光生電流，A；Id為流過二極管的電流，A；Ish為流過分流電阻的電流，A。

其中流過二極管的電流為：

(2)

式中：I0為PN結的反向飽和電流，A；n為二極管理想因子，無量綱；k為玻爾茲曼常數，其值為1.380 650 5×10-23， J/K；T為光伏電池絕對溫度，K；Ui：加在二極管上的電壓，V。

由基爾霍夫電壓定律得到：

Ui=U+IRs

(3)

式中：U為電阻Rl兩端電壓，V。

流過分流電阻Rsh的電流Ish滿足：

(4)

由式(1)～(4)可得到描述光伏電池的伏安特性方程為：

(5)

工程應用的數學模型一般更為實用精確。在標準實驗條件(日照強度S=1 000 W/m2，光伏電池溫度T=25 ℃)下，光伏電池的工程數學模型為:

(6)

其中：

(7)

(8)

式中：ISC為短路電流；UOC為開路電壓；Im為最大功率點處的電流；Um為最大功率點處的電壓；Pm為最大輸出功率。在非標準條件下，ISC、UOC、Im、Um、Pm要做一定修正。

根據以上公式，通過Matlab/Simulink軟件，搭建光伏電池的仿真模型，如圖2所示[9]。

圖2 光伏電池仿真模型

光伏電池仿真模型中設置短路電流為2.52 A，短路電壓為22 V，開路電流為2.31 A，開路電壓為17.3 V，串聯電阻為0.5 Ω。在光照強度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃時，對光伏電池模型進行仿真，得到光伏電池在不同光照強度及不同溫度下的輸出特性曲線，仿真結果如圖3、4所示。

仿真結果表明該模型建立的正確性。當光伏電池的溫度不變時，輸出的功率隨光照強度的增加而增加；當光照強度不變時，輸出的功率隨電池溫度的增高而減小。

2 改進的擾動觀察最大功率跟蹤方法

為了使光伏電池的工作效率得到提高，需要對其工作點進行實時調整，確保始終在最大功率點附近工作。最大功率跟蹤方法有擾動觀察法、增量電導法、模糊邏輯控制法等。其中擾動觀察法是最常見的方法，其控制原理是：測量輸出電壓和功率，對輸出電壓進行擾動，繼續觀察輸出功率的變化，根據功率的變化趨勢進一步擾動[10]。

本文針對定步長擾動觀察法的缺陷提出變步長擾動觀察法。改進的擾動觀察法依然是對占空比進行擾動從而實現最大功率跟蹤。初始狀態，功率距離最大功率點較遠，此時設置一個較大的步長，這樣能使系統更快地跟蹤到最大功率[11，12]。在系統運行過程中，通過檢測得到采樣時刻t2與上一時刻t1的功率，通過計算得到兩者的功率差ΔP，將ΔP與0進行比較：若ΔP大于0，說明t2時刻的功率比t1時刻的功率大，根據PU特性曲線，可以看出此時的功率在最大功率點左側，這時應該繼續增大光伏電池電壓U，使功率繼續增加，所以就繼續按照原占空比進行擾動；若ΔP小于0，說明t2時刻的功率比t1時刻的功率小，根據PU特性曲線，可以看出此時的功率在最大功率點右側，應該減小光伏電池電壓U，使功率回到最大功率點。如果還采用較大的步長，系統的輸出功率又回到最大功率點左側，這樣功率就會在最大功率點附近來回擺動，就不能跟蹤到輸出的最大功率。為了使該問題得到解決，首先設置一個較小的正值ε，當ΔP小于ε時，就認為達到了最大功率點，避免了頻繁工作。然后進行擾動，當ΔP小于0時，可以減小步長至原來的1/2，這時功率值就會回到一個比較大的值，繼續進行擾動。每當ΔP<0，并且步長未達到設定的最小值時，步長就減小一次，在理想情況下系統就會快速準確地找到最大功率點，實現MPPT，并且使系統保持穩定。

根據改進的最大功率跟蹤原理，改進的擾動觀察法的流程圖如圖5所示。圖中Δ表示的是擾動步長。

圖5 改進擾動觀察法流程圖

根據流程圖，在Simulink中搭建的仿真模型如圖6所示。

圖6 改進擾動觀察法仿真模型

3 光伏系統仿真結果分析

3.1 光伏系統結構

光伏系統主要有光伏電池模塊、最大功率跟蹤模塊、PWM模塊、逆變器模塊等。其電路框圖如圖7所示。

圖7 光伏系統結構框圖

根據以上框圖，在Matlab/Simulink中搭建光伏系統仿真模型，如圖8所示。最大功率跟蹤算法采取改進的擾動觀察法，控制器采用雙閉環控制方式。PWM控制器的頻率，對開關損耗具有很大的影響。頻率過高，開關損耗會增大，降低其使用壽命；開關頻率過低，可控性強，但是造成的諧波較大。綜合考慮，本文選用開關管為IGBT，開關頻率設置為20 kHz。在光伏系統中，開路電壓、開路電流、短路電壓、短路電流以及串聯電阻等參數設置如表1所示。

圖8 光伏發電系統仿真模型

參數數值開路電壓/V288開路電流/A13.88短路電壓/V354短路電流/A14.88串聯電阻/Ω0.5

3.2 最大功率跟蹤仿真結果

為了驗證改進的最大功率跟蹤方法的效果，將其與傳統的最大功率跟蹤方法比較。當最大功率跟蹤分別為變步長和固定步長，其跟蹤效果有明顯的差別。當改變外界環境時，光伏電池輸出的功率也會隨之改變。圖9表示的是當光照強度為1 000 W/m2、溫度為25℃(標準情況)的結果；圖10表示的是光照強度在0.1 s增加到1 200 W/m2、溫度為25℃的結果；圖11表示的是光照強度為1 000 W/m2、溫度在0.1 s增加到55℃的結果。

圖9 標準情況下的仿真結果

圖10 光照強度增大的仿真結果

圖11 溫度增加的仿真結果

根據仿真結果，可以看出，當MPPT使用固定步長的擾動時，有很大缺點，步長的設置將是一個難點。如果步長設置太大，雖然跟蹤速度比較快，但是輸出功率會在最大功率點附近來回變波動，其穩定性較差，對系統性能有一定影響；如果步長設置過小，雖然穩定性好，但其跟蹤速度又會變慢。而變步長擾動觀察法能克服定步長的缺點，能夠快速準確地跟蹤最大功率，提高光伏電池的發電效率。

3.3 逆變器控制策略分析與仿真結果

逆變器控制方式采用雙閉環控制，控制電路框圖如圖12所示。相對于電壓單閉環控制，雙閉環控制具有更好的性能。電流內環是為了提高系統的動態響應，電壓外環是為了實現電壓的無靜差控制。仿真參數設置如下：負載采用50 Ω阻性負載；電流內環采用P控制，選擇Kp為0.3；電壓外環，采用PI控制，參數設置：Ki=0.3，Kp=0.1。負載兩端的電壓電流波形如圖13、14所示。

圖12 雙閉環控制框圖

圖13 負載電壓

圖14 負載電流

從仿真結果可以看出，開始時系統還未進入穩態運行，逆變器輸出電壓有一個小的波動。當系統穩定時，負載兩端電壓穩定在給定值。當光照強度和溫度變化時，光伏電源的輸出功率會隨之發生變化，但由于電容的儲能，系統根據負載需要輸出相應的電壓。逆變器雙閉環控制具有較快的動態響應和較高的穩定性。

獨立光伏發電系統中，電壓諧波含量是分析的重點，此系統中，負載電壓諧波含量(THD)值如圖15所示。

圖15 負載電壓THD

從仿真結果可以看出，負載電壓THD值為0.21%，符合微網孤島運行要求。

4 結論

分析了光伏電池的等效電路，并利用 Matlab/Simulink 軟件，搭建了光伏發電系統仿真模型，并對其輸出特性進行分析。利用改進的擾動觀察法跟蹤光伏電池輸出的最大功率，通過仿真結果可以看出在不同階段采用不同的步長，可以使系統更快更準確地跟蹤光伏電池輸出的最大功率，克服了傳統MPPT的缺點，并且使系統輸出功率更加穩定。

逆變器控制采用雙閉環控制，電流內環能夠提高系統的動態響應，電壓外環能夠實現電壓的無靜差控制。仿真結果表明，雙閉環控制具有較好的控制效果，系統輸出滿足孤島微網運行要求。

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Simulation Research of Photovoltaic Power Generation System Based on Improved MPPT

LIU Lili，LIN Yongjun，LIU Weiliang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

In photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking (MPPT) is very important for power supply.In order to improve the power generation efficiency of the photovoltaic cells, an improved disturbance observer method is proposed for maximum power tracking, This method can not only quickly tracking the maximum power with good accuracy, but aslo maintain the stability of the system.Based on the control strategy of inverter, a double closed loop control method is proposed, which can keep the output voltage stable and meet the requirements of micro grid operation.The validity and feasibility of the method is verified by the simulation results.

PV；simulation；improved MPPT；double closed-loop control

2016-06-12。

中央高校基本科研業務費專項資金(2015ZD17)。

劉立立(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為微網逆變器仿真,E-mail:917519625@qq.com。

TM91

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.005