基于MATLAB 的光伏并網最大功率跟蹤控制技術研究

張曉霞

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741000）

0 引 言

在利用分布式光伏能源時，首先要做的是通過光伏組件來將光能源轉換為電能；其次為了達到并網要求，對電能進行轉換，然后并入電網。為了最大限度的利用光伏能源，需要最大功率跟蹤（MPPT）環節[1]。圖1 為較早的雙極式光伏并網系統。

圖1 傳統雙極式光伏并網系統結構

在此系統中共有兩個能量轉換環節，DC/DC 和DC/AC。前面直流側DC/DC 變換主要起光伏電池MPPT的作用，后面DC/AC 逆變電路完成直流電向交流電的轉換。

1 最大功率跟蹤控制

1.1 MPPT 簡述

在圖2 中，光伏輸出曲線是單峰形P-V曲線，曲線中Pmpp為單一最大值點。當溫度與光強度為定值時，輸出電壓達到某一指定值時，光伏電池的輸出功率就達到極大值，這個點稱為最大功率點（MPP），也是輸出電壓和電流的最優結合點。一般MPPT 在光伏發電系統中扮演著重要的角色，其控制方式對光伏電池的輸出效率有直接影響[2]。

1.2 MPPT 原理

一個基本的光伏MPPT 系統由光伏組件和一個可變負載構成，如圖3 所示。

在圖3 中，光伏組件直接連接到可變負荷，因此光伏組件的輸出電壓（Vpv）和輸出電流（Ipv）分別與可變負荷的電壓（Vload）和電流（Iload）相等。通常情況下，當可變負荷（Rload）的阻值發生變化時，光伏組件的等效電阻Rpv也會發生變化。當Rload達到理想值時，工作點將移到最大功率點，以滿足光伏組件的最大發電效率。但在實際應用中，Rload通常是一段時間內的不可變值，直接調整負荷阻值是不可行的，為此可以接入一個DC/DC 變流器在光伏組件與負載之間，如圖4 所示。

圖2 光伏輸出P-V 曲線

圖3 光伏MPPT 系統

圖4 接入DC/DC 的MPPT 系統

其中，DC/DC 的占空比為d。為方便計算，設電壓變換比為M（d），則DC/DC 變換器輸入輸出電壓關系表示如下：

通常，在實際運行過程中，對DC/DC 變換器的轉換效率η也應該考慮，則有：

其中，Rin為等效輸入電阻，Rout為等效輸出電阻。

在光伏系統中，有Rpv=Rin和Rload=Rout，則式（2）可化為：

根據式（3），即使Rload是一個不變的值，只要DC/DC 的占空比d改變，仍可將工作點調解至最大功率點（MPP），如圖5 所示。

圖5 最大功率跟蹤原理圖

2 Boost 升壓電路

在光伏并網發電系統中，通過DC/DC 來調節光伏MPPT 的占空比d。DC/DC 電路的作用是輸出電壓幅值恒定或電壓幅值可控的直流電。本文中光伏系統的MPPT 通過Boost 電路來實現，Boost 電路的結構及原理簡單、易與實現。

Boost 升壓電路如圖6 所示。

圖6 Boost 升壓電路

當開關管S 導通時，對電感L 充電，充電電流iL逐漸變大，電容C 為負荷提供工作電能；當開關管S關斷時，負荷所消耗的電能是由電源和電感L 上的電壓疊加提供的；當Boost 電路狀態穩定時[3-4]，其平均輸出電壓表示為：

其中，ton、toff為開關管導通、關斷時間；T為開關周期；D為導通占空比（0 ＜D＜ 1）；E和Vo分別為輸入、輸出電壓[5]。電感電流連續的臨界條件為：

圖6 中，電路的輸出電流I0、占空比D、濾波電容C和開關頻率fs等因素共同決定輸出紋波電壓ΔVO的值，用公式（6）表示為：

3 MPPT 控制方法

常用的最大功率跟蹤方法有如下3 種：恒壓跟蹤法、電導增量法、擾動觀察法。其中指數變步長擾動觀察法具有結構更簡單，測量參數少、便于實現等特點，在工程中應用廣泛的。

在擾動觀察法中，擾動步長選取是否合理直接影響整個系統的跟蹤精度和跟蹤速度，本文中最大功率的跟蹤選用變步長的方法來實現。在初始時刻，擾動步長取的較大，當接近最大功率點時，由于步長較大，直流端電壓波動較大，此時，只能迅速減小擾動步長值，以減小直流端電壓波動，使輸出功率穩定在一個固定值。在傳統的定步長擾動觀察法中，電壓增量ΔU為常數，即Uref=Uref+ΔU，在定步長擾動觀察法的基礎上引入了一個步長變化因子a，并且a與最大功率點距離成反比例關系。當遠離MPP 時a的取值越大，則ΔUk=aΔU，反之則a的取值越小；當a的取值在（0，1）時，步長ΔU就不再是一個常數值，而是一個隨著跟蹤狀態變化的量，應用此變量可保證最大功率追蹤的跟蹤精度和速率[3]。

MPPT 變步長如圖7 所示。在遠離MPP 時，步長取值較大，ΔP的增量也變大；在靠近MPP 時，要使步長變化到較小的區間內可以通過控制步長變化因子a實現，ΔP的增量也較小。通過ΔP的變化來實現對a值大小的實時調整。變步長擾動觀察法的控制流程如圖8 所示。

圖7 MPPT 步長變化示意圖

圖8 變步長MPPT 流程圖

4 MPPT 仿真分析

采用Matlab/Simulink建立的仿真模型的仿真波形，如圖9 所示。

由仿真結果看出，在圖（a）和圖（b）中光照強度和環境溫度均發生變化；圖（c）和圖（d）表示光伏系統輸出的有功功率和輸出電壓波形，仿真波形表明，當光照變化時，所采用的MPPT 控制方法具有良好的追蹤速率和較小的電壓紋波，控制效果良好。

圖9 MPPT 仿真波形圖

5 結 論

最大功率點追蹤一直是光伏發電技術的重點研究方向，本文提出來的基于變步長的擾動觀察法，經仿真證明該方法能更穩定、準確地達到最大功率點，提高了控制精度。