基于改進電導增量法的光伏陣列MPPT

楊秋霞，　王海臣，張　，姜培培(燕山大學電氣工程學院，河北秦皇島066004)

基于改進電導增量法的光伏陣列MPPT

以太陽能發電最大功率跟蹤單元為研究對象，采用改進電導增量法，通過理論分析和Matlab模型仿真的方法，對光伏陣列的最大功率跟蹤(MPPT)性能進行分析與實驗驗證。研究結果表明，改進的電導增量法具有良好的控制精度，加入恒壓啟動過程后，使新算法兼具快速的跟蹤效果。

太陽能發電；MPPT算法；電導增量法；變步長；恒壓啟動

新能源的研究與發展已經成為了當今世界最重要的課題之一，太陽能作為一種清潔、高效和永不衰竭的新能源越來越受到人們的關注。太陽能具有波動性和隨機性，為了高效利用太陽能，研究人員提出了最大功率跟蹤(MPPT)技術。國內外學者做了大量關于MPPT算法的研究，較經典的有固定電壓法(CVT)、擾動觀察法(P＆amp;O)、電導增量法(INC)、模糊邏輯控制、神經元網絡控制等。各種控制方法都有各自的優缺點，本文在上述研究基礎上提出了變步長電導增量法，并加入恒壓啟動，對算法進行改進，仿真結果表明新算法能同時實現動態響應和減小穩態震蕩兩者的最優化，提高MPPT精度和速度。

1 光伏電池模型

1.1光伏電池數學模型

光伏電池屬于半導體光電器件，光輻射到光伏電池直接產生電能。依據電子學理論，得到光伏電池的等效電路如圖1所示。

其電流表達式為：

圖1　　光伏電池等效電路

式中：Iph為光生電流；I0為光電池反向飽和電流；n為二極管因子；k為波爾茲曼常數；q為電子電量；Rs為光電池串聯電阻；Rsh為光電池并聯電阻。

文獻[1]給出了面向工程實際的光伏電池簡化數學模型：

由此可見，本模型只需輸入電池技術參數Isc、Uoc、Im、Um，就可以得出C1和C2。

當光照強度S(W/m2)及電池溫度θ(℃)變化，太陽電池的輸出功率會發生變化。為了方便計算，電池溫度由大氣溫度和光照擬合：

下面一組公式得到任意時刻光伏電池的V-I特性：

式中：θ為任意時刻光伏電池的溫度；Δθ為任意時刻與標準環境下光伏電池的溫度差；S為任意時刻的光照；ΔS為任意時刻與標準環境下光照差；Isc'為任意時刻短路電流；Voc'為任意時刻開路電壓；Im'為任意時刻輸出最大功率對應的最大輸出電流；Vm'為任意時刻輸出最大功率對應的最大輸出電壓。

Isc'、Voc'、Im'、Vm'代入式(1)、式(2)、式(3)就可以得到任意環境條件下光伏電池的V-I特性。

1.2光伏電池陣列仿真模型

根據1.1節中的光伏電池數學模型，在Matlab的Simulink中搭建太陽電池仿真模型。模塊內部封裝了參數Isc'、Voc'、Im'、Vm'?？梢酝ㄟ^點擊光伏電池的封裝模塊，如圖2，設置上述參數，通過更改不同的溫度和光強來模擬不同的V-I特性。

圖2　光伏電池封裝模型

1.3仿真結果

運用上述模型對STP0950S-36型號光伏電池進行仿真，其主要參數見表1。

??????/W 　94 ????????????????????????? ????????? ????/A 　4.8 ?????????/V 　21.7 ?????????/A 　4.5 ????/V 　24.2 ????????/(mA?? ????????/(V??

在標準參考條件下(1 000 W/m2，25℃)光伏電池仿真結果如圖3所示。圖3符合1.1節中建立的物理模型，從而驗證了仿真模型的準確性。

圖4為不同光照強度及溫度下的P-U曲線。

通過圖4仿真結果可知，光伏電池輸出特性具有嚴重非線性，而且受光照強度和溫度影響明顯。溫度和光照一定時，光伏電池存在一個特定的最大功率點，且溫度一定時，最大功率點與光強成正比；光強一定時，最大功率點和溫度成反比。

為了使光伏電池盡可能工作在最大功率點，需要在光伏發電系統中施加一個MPPT控制策略，來實現負載與光伏電池間的最佳匹配。0

圖3　標準條件下光伏電池I-U、P-U曲線

圖4　不同條件下光伏電池P-U曲線

2 最大功率跟蹤

2.1電導增量法

電導增量法是目前常用的最大功率跟蹤控制方法之一，它是通過比較光伏電池瞬時電導和電導的變化量來實現最大功率跟蹤。由光伏電池P-U曲線可見，最大功率點處于曲線頂點。由此得[2]：

并有以下關系：

實際使用時，需要給定一個合適的閾值E，并設定dP/dU=±E時系統工作于最大功率點，當電導增量變化小于這個閾值時，無需改變工作點；當電導增量變化大于這個閾值時，則要相應變化工作點。所以選擇合適的步長和閾值非常關鍵。

2.2變步長電導增量法

電導和電導增量之和與最大功率點之間具有潛在的關系。工作點距最大功率點較遠時，兩者之和保持不變；在最大功率點附近時，兩者之和迅速趨于0；在最大功率點處，則等于0。故可用兩者之和來控制步長，從而得到變步長電導增量法流程，如圖5所示。圖5中，N為調整步長的比例因子，MPPT算法步長即為占空比變化量ΔD。這樣，在最大功率點附近，工作點移動很小，實際工作點趨于和最大功率點重合。

圖5　變步長電導增量法流程

2.3Matlab仿真

要保證功率損失不超過光伏電池板可用最大輸出功率的2％，則max(ΔD)=ΔD(2％)=ΔDmax。ΔDmin的值，根據實驗設備中電壓電流的采樣精度選取。

為保證最大功率點處的震蕩最小，同時兼具良好的跟蹤速度，選擇

根據圖5所示的流程搭建變步長電導增量法控制模塊，如圖6所示。

圖6　　變步長電導增量法模塊

在圖7所示光伏發電系統中驗證該控制算法，光伏電池功率160 W，采用Buck變換器，溫度為25℃，光照在0.05 s時由800 W/m2變為1 000 W/m2。

最大功率跟蹤曲線如圖8所示。由圖8可見，溫度為25℃，光照強度為800 W/m2條件下，系統輸出功率在0.018 s時穩定在133.5 W；當光照強度在0.05 s由800 W/m2變到1 000 W/m2時，系統在0.06 s再次達到穩定狀態。由此可見，變步長電導增量法能夠使系統輸出功率穩定在當前條件下的最大功率值，具有良好的跟蹤性能。但由于開始時刻步長較大，導致功率出現階梯變化，因而在此算法的基礎上增加恒壓啟動算法加以改進。

圖7　MPPT系統仿真

圖8　　變步長電導增量法最大功率跟蹤曲線

2.4變步長電導增量法的改進

一般來說，光伏電池板最大功率點電壓為開路電壓的78％左右。設電壓Uset=0.8Uoc，使變換器的占空比線性增加到接近最大功率點，得到平滑的跟蹤曲線。恒壓啟動算法即設定參考電壓Uset=0.8Uoc，當采樣電壓值大于參考電壓時，線性增加占空比D；當采樣電壓值小于參考電壓時，采用電導增量法。

根據圖5所示的流程搭建具有恒壓啟動功能的變步長電導增量法Matlab仿真模型，如圖9所示。

圖9　具有恒壓啟動的變步長電導增量法仿真模型

相同條件下對改進的變步長電導增量法進行仿真，結果如圖10所示。

圖10　具有恒壓啟動的變步長電導增量法MPPT曲線

由圖10可見，利用固定電壓法啟動可以消除P-U曲線啟動時候的階梯性變化，使仿真曲線變得平滑，而且加快跟蹤速度，保證系統跟蹤到當前條件下的最大功率值。

將圖10和圖8對比可知，具有恒壓啟動的變步長電導增量法兼具良好的啟動特性和穩態跟蹤效果。

3 結論

本文建立了光伏電池的物理模型，并搭建Matlab仿真模型，通過仿真波形的分析驗證其準確性。用Buck電路搭建基于變步長電導增量法MPPT光伏發電系統的仿真模型。該方法在外界光照突變的情況下能夠實現良好的跟蹤效果，但由于起始時刻步長較大，使功率曲線出現階梯變化，為此加入恒壓啟動算法，仿真圖表明，新算法兼具良好的啟動特性和穩定性。

[1]蘇建輝，余世杰，趙為.硅電池工程用數學模型[J].太陽能學報，2001，22(4)：399-410.

[2]高沖赫，陳繼開，孫雪，等.基于改進的變步長電導增量法的MPPT方法研究[J].電源技術，2013(10)：1342-1344.

Research of MPPT technology based on variable step length conductance increment method

YANG Qiu-xia,WANG Hai-chen,ZHANG Ying,JIANG Pei-pei
(Institute of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Using solar maximum power tracking unit as the research object,the MATLAB simulation model was run by variable step length conductance increment method.The MPPT performance could be analyzed and verified according to the simulation waveform.The results show that:Variable step length conductance increment method has good control accuracy,the new algorithm has fast tracking performance starting by adding a constant voltage method.

solar power generation;MPPT algorithm;incremental conductance method;variable step size;constant pressure start

TM 914

A

1002-087 X(2016)01-0128-03

2015-06-15

秦皇島市科學技術研究與發展計劃(201001A086)

楊秋霞(1972—)，女，山東省人，博士，副教授，主要研究方向為逆變器并網控制、光電檢測技術、電力系統控制。

王海臣