基于改進電導增量法MPPT控制仿真研究

安云鵬，劉金寧，趙錦成，劉洪文

(軍械工程學院 車輛與電氣工程系，河北 石家莊050003)

基于改進電導增量法MPPT控制仿真研究

安云鵬，劉金寧，趙錦成，劉洪文

(軍械工程學院 車輛與電氣工程系，河北 石家莊050003)

基于光伏電池典型單二極管等效電路，建立了數學模型。在MATLAB仿真環境下，開發了可以模擬任意光照強度、環境溫度和電池參數的光伏電池通用仿真模型，在基于改進電導增量法的MPPT控制方法的基礎上搭建了獨立光伏系統，并在環境因素和負載變化的不同條件下進行了仿真，檢驗了最大功率跟蹤控制策略的效果以及系統獨立供電的合理性與可行性。

光伏；MPPT控制；電導增量法；MATLAB仿真

0 引言

近年來，隨著微電網的發展和普及，小容量分布式微電源控制研究受到廣泛關注[1]，尤以光伏居多。但大多數文獻研究內容主要集中在兩方面：一是對光伏電池本身進行數學建模和輸出特性受環境因素影響的仿真分析，如文獻[2]和[3]；二是對某一種 MPPT控制方法的仿真研究或多種方法的比較，如文獻[4]和[5]。而對整個獨立光伏系統供電穩定性受環境因素變化和負載突變的影響研究偏少。

本文基于光伏電池典型單二極管等效電路，建立了相應的數學模型，在MATLAB仿真環境下，利用Simulink工具搭建了光伏電池通用仿真模型，并通過仿真運行對光伏電池輸出特性受光照強度和環境溫度的影響進行了研究分析。然后在基于改進電導增量法的MPPT控制方法的基礎上搭建了獨立光伏系統，并在環境因素和負載變化的不同條件下進行了仿真研究，檢驗了最大功率跟蹤控制策略的效果以及系統獨立供電的合理性與可行性。

1 光伏電池特性分析

光伏電池是太陽能發電系統的核心部件，其通過電池內部半導體P-N結受太陽光照產生光生伏打效應，從而直接將光能轉化成電能。其典型輸出特性如圖1所示。

圖1 光伏電池輸出特性

為更好地分析光伏電池特性，首先需要搭建光伏電池模型，其主要分為物理模型和外特性模型兩大類。物理模型主要通過分析光電轉換具體過程實現，較為復雜。外特性模型則是根據其運行輸出特性分析，得出等效模型電路，典型形式是單二極管等效電路，如圖2所示。

圖2 單二極管等效電路

根據等效電路，可列出光伏電池輸出特性的數學模型：

式（1）是建立在物理原理上的實際光伏電池的解析表達式，比較復雜。為符合工程上的實際應用，需要對其做兩點近似處理[2]：(1)由于 Rs遠小于二極管的正向導通電阻，可忽略，所以Iph可近似為短路電流Isc；(2)由于 Rsh非常大(kΩ)，因此(Ucc+ILRs)/Rsh非常小，可以省略。Im、Um為最大功率點電流和電壓，則當光伏陣列電壓為U，其對應點電流為：

考慮光照變化和溫度的影響，則有[3]：

其中，Sref、Tref為光照強度和光伏電池溫度參考值，一般取為 1 000 W/m2和 25℃，a、b分別是電流溫度系數和電壓溫度系數。

基于上述數學模型，在MATLAB環境下，利用Simulink工具，搭建了光伏陣列的通用仿真模型。光伏電池輸出特性受多方面因素影響，而受光照強度和環境溫度影響最為明顯。本文在二者單一變化的條件下進行了仿真，結果如圖3所示。

圖 3(a)、(c)表示標準環境溫度條件下，不同光照強度對光伏電池輸出特性的影響。從中可以看出，在同一溫度下，隨著光照強度增加，I-U、P-U特性曲線均近似整體向上平移，即短路電流和輸出功率都會明顯增大，而開路電壓略有增大。

圖3 不同條件對光伏電池輸出特性的影響

圖3 (b)、(d)表示標準光照強度條件下，不同溫度對光伏電池輸出特性的影響。從中可以看出，在同一光照強度下，隨著溫度升高，I-U、P-U特性曲線均近似向左偏移，即開路電壓和最大功率點明顯減小，而短路電流只是略有增加。

2 MPPT控制研究

對于光伏發電系統，希望光伏電池盡可能地輸出最大功率，而相應的提高功率輸出的控制方法被稱為光伏電池的最大功率點跟蹤（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT）策略[6]?，F在普遍的電導增量法是計算 ΔP/ΔU，并與0進行比較以實現最大功率跟蹤。當跟蹤過程在一條P-U特性曲線上進行時，效果比較理想，但當外界環境變化時，跟蹤過程必定會在不同P-U特性曲線上跳變，就會出現 ΔU=0的情況，此時 ΔP/ΔU=∞，這就需要額外添加判斷過程，比較麻煩。

圖4 最大功率點跟蹤控制流程圖

基于此，本文采用改進的電導增量法，即把 ΔP/ΔU換成ΔP×ΔU，這樣只需將 ΔP×ΔU和0進行比較即可，其控制流程如圖4所示。首先檢測光伏電池輸出電流和電壓并計算功率，與上一個檢測點的檢測結果相比較得出ΔP、ΔU。比較ΔP×ΔU與0的關系：ΔP×ΔU〉0，說明運行在最大功率點左側，則需要調節占空比增大電壓；ΔP×ΔU＜0，則說明運行在最大功率點右側，則調節占空比減小電壓。若ΔP×ΔU=0，存在兩種情況：ΔP=0，ΔU≠0，表示已跟蹤到最大功率點，電壓保持不變；ΔU=0，ΔP≠0，表示外界環境變化，跟蹤發生在不同的 P-U特性曲線上，則暫時保持電壓不變，返回重新檢測，繼續進行最大功率跟蹤。

根據上述控制策略在MATLAB中搭建控制模型，如圖5所示。光伏MPPT最大功率控制模型中，控制系統首先對光伏電池輸出電壓和電流進行采樣，經過運算得出ΔP、ΔU，然后將兩個值的乘積經過增益然后延遲得出差值，經過與給定波形值相比較產生PWM控制信號，控制開關管的通斷，通過DC/DC變換電路控制光伏電池的輸出電壓為最大功率點電壓，來實現最大功率點跟蹤。

圖5 最大功率點跟蹤控制模型

3 系統仿真分析

為檢驗最大功率跟蹤控制策略的效果以及系統獨立供電的合理性與可行性，本設計建立光伏發電系統獨立運行仿真模型，并從外界環境變化和負載變化兩個方面進行了仿真，以驗證系統獨立運行的合理性與可行性。

3.1 外界環境變化

在負載保持不變的條件下，使光照強度和環境溫度某一因素發生變化（另一個保持不變），仿真結果如圖6所示。

圖6(a)中光照強度變化情況為：t=0時，S=1 000 W/m2；t=1 s時，S=900 W/m2；t=2 s時，S=800 W/m2；t=3 s時，S=700 W/m2；t=4 s時，S=600 W/m2?？梢钥闯觯寒斬撦d較小時，隨著光照強度的不斷減小，光伏電池所能輸出的最大功率滿足不了輸出端電壓為48 V時負載所需功率，因而輸出端電壓會往下掉，不能穩定在 48 V；但負載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。

圖6(b)中環境溫度變化情況為：t=0時，T=25℃；t= 1 s時，T=40℃；t=2 s時，T=30℃；t=3 s時，T=20℃；t=4 s時，T=5℃。從中可以看出：當負載較小時，隨著溫度的不斷變化，光伏電池輸出最大功率滿足不了輸出端電壓為48 V時負載所需功率，輸出端電壓會隨之變化，不能穩定在48 V；但負載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。

圖6(c)中光照強度與環境溫度變化情況分別和(a)、(b)一樣，而這兩種情況的仿真結果完全相同，從中可以看出：當負載較大時，不管是光照強度變化，還是環境溫度變化，只要光伏電池輸出最大功率可以滿足輸出端電壓為48 V時負載所需功率，輸出端電壓就會一直穩定在48 V。

圖6 光伏發電系統獨立運行仿真結果

3.2 負載變化

在標準環境溫度和標準光照強度的測試條件下，不斷改變阻性負載大小(初始值R=10 Ω，2 s后并聯100 Ω電阻，3 s后串聯50 Ω電阻)，仿真結果如圖7所示。

圖7 光伏發電系統獨立運行仿真結果

從仿真結果可以看出，當負載較小時，所需功率較大，超過光伏電池所能提供的最大功率，因此負載端電壓會往下掉，小于 48 V；當負載增大后，所需功率小于光伏電池所能提供的最大功率，負載端電壓穩定在48 V。

4 結論

本文基于光伏電池典型單二極管等效電路，建立了相應的數學模型，搭建了通用仿真模型，并在光照強度和環境溫度獨自變化的情況下進行了仿真分析，結果表明光伏電池輸出特性受二者影響比較明顯。然后在基于改進電導增量法的MPPT控制方法的基礎上搭建了獨立光伏系統，并在環境因素和負載變化的不同條件下進行了仿真。仿真結果表明不管外界條件怎么變化，只要光伏電池的最大功率可以滿足負載所需功率，輸出端電壓就可以一直穩定在48 V；反之，輸出端電壓就不能穩定在48 V，但負載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。這充分證明了最大功率跟蹤控制策略的有效性以及所搭建光伏系統獨立供電的合理性與可行性。

[1]何越，李正天，林湘寧.微網分布式電源非線性功率控制策略[J].電工技術學報，2012，27(1)：48-55.

[2]孫鵬.基于 MPPT控制策略的光伏電池建模與仿真[J].國網技術學院學報，2014，17(1)：6-10.

[3]茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有 MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統仿真學報，2005，17(5)：1248-1251.

[4]郭明明，沈錦飛.基于改進變步長電導增量法光伏陣列MPPT研究[J].電力電子技術，2011，45(7)：14-16.

[5]徐鵬威，劉飛，劉邦銀，等.幾種光伏系統 MPPT方法的分析比較及改進[J].電力電子技術，2007，41(5)：3-5.

[6]趙爭鳴，陳劍，孫曉瑛.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京：電子工業出版社，2012.

Simulation and research on PV system of MPPT control based on the improved incremental conductance method

An Yunpeng，Liu Jinning，Zhao Jincheng，Liu Hongwen
(Department of Vehicle and Electrical Engineering，Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China)

Based on PV typical equal circuit of single diode,this paper builds the mathematical model and develops a general simulation model which can imitate random illumination intensity and temperature and battery parameter with MATLAB.Moreover, an independent PV system is developed based on the foundation of MPPT control function of improved incremental conductance method,and simulates under the different conditions when the environment factors change or loads change.The simulation results show the effect of MPPT control method and the correctness of the independent PV system in power supply.

photovoltaic；MPPT control；incremental conductance method；MATLAB simulation

TM914.4

：A

：0258-7998(2015)03-0130-03

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.03.034

2014-11-27)

安云鵬（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向： 微型聯合供電系統能量管理與控制，E-mail：anyunpeng2009@126.com。

劉金寧（1979-），男，博士，講師，主要研究方向：武器裝備自動檢測與故障診斷。

趙錦成（1962-），男，碩士，教授，碩士生導師，主要研究方向：軍用電站測試。