Simscape系統(tǒng)模塊光伏電池的功率仿真

孫麗娜

摘要

國內(nèi)外對最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真已經(jīng)有不少文獻(xiàn)，但是很多都針對固定電壓或者固定功率進(jìn)行追蹤，并不能說明在功率流的情況下追蹤的效果，本文借助Matlab軟件的Simscape系統(tǒng)模塊建立光伏電池的功率級的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了最接近物理模型的最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真。

【關(guān)鍵詞】最大功率點(diǎn)跟蹤 仿真 擾動觀察

光伏電池是一種輸出特性隨外界環(huán)境變化不斷變化的電源，要充分利用光伏電池的能量，提高光伏電池系統(tǒng)的供電效率可以對光伏電池的輸出電流和電壓進(jìn)行跟蹤，以實(shí)現(xiàn)最大功率即最大功率點(diǎn)跟蹤。本文借助Matlab軟件的Simscape系統(tǒng)模塊建立光伏電池的功率級的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了最接近物理模型的最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真。

1 基于Simscape的光伏電池MPPT的仿真

在Simscape中搭建不帶MPPT控制的光伏電池模型。測量負(fù)載的電流與電壓，并得出負(fù)載的實(shí)時(shí)功率圖線，IGBT通過PWM模塊生成的脈寬調(diào)制的信號進(jìn)行開關(guān)動作，PWM_

Uref給PWM模塊參考信號。

PWM模塊為電壓控制型，可用表達(dá)式：

進(jìn)行求出合適的脈寬，這里設(shè)置Umax為10V，Umin為0V，而Uref是外加參考電壓，可用MPPT算法進(jìn)行控制。設(shè)置L=156.25uH，C=100uF，負(fù)載為25Ω，PWM的頻率為20kHz，通過控制PWM模塊的參考電壓進(jìn)而控制負(fù)載獲得的功率。如圖1所示為設(shè)置PWM_Uref分別為1V、5V、7V，即占空比D=10%、50%、70%的負(fù)載功率情況。

可以發(fā)現(xiàn)，不同占空比對負(fù)載獲得功率的影響，D=10%時(shí)，負(fù)載獲得的功率在85W左右，D=50%時(shí)，負(fù)載獲得的功率在l05W左右，而D=70%時(shí)，負(fù)載獲得的功率在55W左右。50%的占空比比10%和70%的占空比負(fù)載獲得的功率要大，因此負(fù)載要獲得最大功率時(shí)，必須要加上一個(gè)占空比合適的PWM波形。

2 加上MPPT控制占空比算法的仿真平臺

加上MPPT控制占空比的仿真平臺如圖2所示，用Simscape搭建，加上MPPT控制模塊。其中V2電壓表測量MPPT模塊生成的PWM參考電壓。

MPPT子模塊利用測得的電壓電流和MPPT算法，得出合適的電壓信號，提供給可控電壓源，進(jìn)而輸入MPPT模塊控制占空比。在生成PWM參考電壓時(shí)，加入了Transport Delay延時(shí)模塊，延時(shí)0.00ls，以防止短時(shí)間內(nèi)占空比無法取得適當(dāng)?shù)膮⒖贾担瑢?dǎo)致占空比過大。MPPT_Solve模塊用Matlab中的S-Function模塊編制S函數(shù)。

3 擾動觀察法仿真

S函數(shù)的固定步長擾動觀察的MPPT算法，其中包含了一個(gè)離散狀態(tài)，兩個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口，采樣時(shí)間采用系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)間，步長占空比為0.2%，其余參數(shù)設(shè)置L=156.25uH，C=lOOuF，負(fù)載為25Ω，PWM的頻率為20kHz。

程序運(yùn)行仿真平臺可得圖3曲線，（a）圖為固定步長的擾動觀察法曲線，（b）圖為全步長的擾動觀察法，（c）圖為采用變步長算法光照強(qiáng)度變化時(shí)的最大功率點(diǎn)跟蹤曲線。可以發(fā)現(xiàn)，負(fù)載功率在PWM參考電壓的控制下在功率最大值附近震蕩，這時(shí)把固定步長的S函數(shù)改成變步長擾動觀察的MPPT程序，其中包含了一個(gè)離散狀態(tài)，兩個(gè)輸入口，一個(gè)輸出口，采樣時(shí)間采用系統(tǒng)默認(rèn)時(shí)間，步長占空比可調(diào)，其余參數(shù)設(shè)置L=156.25uH，C=100uF，負(fù)載為25Ω，PWM的頻率為20kHZ。

采用變步長后，負(fù)載的功率曲線相比于固定步長的功率曲線穩(wěn)定，能夠穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)附近。

在變步長的擾動觀察法的基礎(chǔ)上，在仿真模型的0.01s時(shí)刻，光照強(qiáng)度從1000W/m2變化到500W/m2，而此時(shí)變步長最大功率追蹤仍然進(jìn)行著，可以看出依然可以維持最大功率點(diǎn)的追蹤。

本文在Simscape下搭建帶有MPPT控制功能的仿真模塊，控制PWM模塊的占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓，借以調(diào)整輸出功率以期達(dá)到最大功率。以往的仿真都建立在簡單的單電壓或單功率的追蹤的電路上，并沒有真正的用功率流的形式進(jìn)行閉環(huán)電路的仿真，而利用Simscape仿真模塊實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，通過仿真證明了該方法的正確性。

參考文獻(xiàn)

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