基于simulink的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

姚祥平

江蘇省蘇州市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004

基于simulink的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

姚祥平

江蘇省蘇州市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，215004

光伏電池的功率輸出與光照強(qiáng)度和溫度有關(guān)，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，就要對(duì)光伏電池的最大輸出功率點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，從而使光伏電池的效率達(dá)到最大。本文根據(jù)光伏電池的物理模型，基于simulink仿真軟件建立了光伏電池仿真模型，同時(shí)對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法進(jìn)行了相應(yīng)的仿真。

光伏電池；最大輸出功率；仿真

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的使用急劇增加，而太陽(yáng)能作為一種新能源，有取之不盡、用之不竭、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們?cè)絹?lái)越多的重視。光伏發(fā)電是充分運(yùn)用太陽(yáng)能的有效方式之一，但是光伏電池的輸出特性具有強(qiáng)烈的非線(xiàn)性，且受外界環(huán)境因素影響大，特別是光照強(qiáng)度與溫度。本文對(duì)光伏電池建立模型，分析了光照與溫度對(duì)光伏電池的影響，并且在simulink中對(duì)兩種最大功率點(diǎn)跟蹤方法進(jìn)行了仿真，對(duì)比定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀法和變步長(zhǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 光伏電池建模及仿真

1.1 光伏電池物理模型

圖1 光伏電池的物理模型

光伏電池的輸出特性為：

其中：

G：溫度補(bǔ)償系數(shù)（1.6mA/K）；

E：禁帶寬度電壓（1.13ev）；

Gd：溫度系數(shù)（10.0）；

A:為光伏電池中半導(dǎo)體器件的P-N結(jié)系數(shù)(A=1.11)；

q：電荷量，值為 ；

K：Boltzmann常數(shù)，值為 ；

1.2 太陽(yáng)能電池輸出特性的仿真

在MATLAB軟件中，對(duì)光伏電池建模有多種方法，常見(jiàn)的可以直接寫(xiě)一個(gè)M函數(shù)對(duì)其輸出特性進(jìn)行仿真，還有就是基于物理模型在simulink中搭建模塊。本文根據(jù)物理模型搭建了simulink模塊，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入模塊即可。

對(duì)溫度不變光照改變以及光照不變溫度改變分別進(jìn)行仿真，得到相應(yīng)的輸出特性曲線(xiàn)，如下圖所示。

如圖2.a和圖2.b所示，當(dāng)溫度不變光照改變時(shí)，光伏電池的開(kāi)路電壓隨光照沒(méi)有明顯變化，而短路電流則變化幅度較大，光照越大，開(kāi)路電壓越大。在功率輸出特性曲線(xiàn)中可以看出，最大功率點(diǎn)隨著光照變化明顯，且光照越大最大功率 也越大。

如圖3.a和圖3.b所示，當(dāng)光照不變溫度改變時(shí)，光伏電池的開(kāi)路電壓變化明顯，且溫度越低開(kāi)路電壓越大，而短路電流則沒(méi)有明顯變化，最大功率點(diǎn)功率 隨溫度變化也不明顯，所以光照對(duì)最大功率點(diǎn)功率的影響比溫度影響的大。

無(wú)論溫度改變還是光照改變，光伏電池的功率輸出曲線(xiàn)都是單峰值曲線(xiàn)，這就為最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）提供了依據(jù)。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法

由于在現(xiàn)實(shí)中，光照和溫度都是隨時(shí)變化的，所以光伏電池的最大功率點(diǎn)也是變化的，如果光伏電池的輸出總是固定值，那么其大部分的工作點(diǎn)都不是最大功率點(diǎn)，這樣就會(huì)有很大的功率損耗。為此光伏電池必須實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤，以便光伏電池的輸出功率保持在最大功率。

2.1 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

由上文的分析可知，光伏電池 特性曲線(xiàn)是以最大功率點(diǎn)為極值的單峰值曲線(xiàn)，這一特點(diǎn)為擾動(dòng)觀察法（Perturbation and Observation method，P&O）提供了條件，擾動(dòng)觀察法實(shí)際上是采用步進(jìn)搜索的思路，即從起始狀態(tài)開(kāi)始，每次給輸入信號(hào)一個(gè)變化有限變化，然后判斷輸出變化的大小和方向，等到方向辨別后，再控制輸入信號(hào)按照需要的方向調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)自尋優(yōu)控制[3]。

具體方法：當(dāng)增大參考電壓時(shí)，輸出功率變大，則說(shuō)明當(dāng)前工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)的左側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)保持參考電壓增大的方向；當(dāng)增大參考電壓時(shí)，輸出功率變小，則說(shuō)明當(dāng)前工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)右側(cè)，此時(shí)系統(tǒng)應(yīng)減小參考電壓，才能夠使光伏電池工作在最大功率點(diǎn)。

可見(jiàn)，擾動(dòng)觀察法就是按照以上所述的過(guò)程反復(fù)進(jìn)行輸出電壓擾動(dòng)，并且使其電壓的變化不斷使光伏電池輸出功率朝大的方向改變，直到工作點(diǎn)接近最大功率點(diǎn)，其流程圖如圖4所示。

傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法的弊端

（1）對(duì)于實(shí)際的光伏電池的MPPT控制，由于檢測(cè)與控制精度的要求，對(duì)于工作點(diǎn)進(jìn)行擾動(dòng)的最小步長(zhǎng)是一定的，所以對(duì)于傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法來(lái)說(shuō)，振蕩問(wèn)題無(wú)法避免；

當(dāng)外界條件變化時(shí)，為了快速尋找到最大功率點(diǎn)，則擾動(dòng)的步長(zhǎng)不能太小，否則光伏電池會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間處在非最大功率點(diǎn)，造成大量的功率損耗；

（2）對(duì)于定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀法，會(huì)出現(xiàn)工作點(diǎn)跨過(guò)最大功率點(diǎn)的情況，再次擾動(dòng)后，功率點(diǎn)則反向跨過(guò)最大功率點(diǎn)，此時(shí)，光伏電池?zé)o法在最大功率點(diǎn)工作

顯然，擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)小時(shí)，影響自尋優(yōu)速度；擾動(dòng)步長(zhǎng)過(guò)大時(shí)，則影響自尋優(yōu)精度以及產(chǎn)生震蕩，這就要求實(shí)際的MPPT控制在速度與精度之間折中考慮[4]。

圖4 定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的流程圖

2.2 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法

定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀法法為了確保跟蹤的快速性，不能把步長(zhǎng)設(shè)定的太小，這樣就會(huì)在最大功率點(diǎn)附近存在一定幅度的震蕩，難以滿(mǎn)足較高的MPPT要求；為了減小震蕩，減小擾動(dòng)步長(zhǎng)是一種可行的措施，然而減小擾動(dòng)不長(zhǎng)就會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)時(shí)間變長(zhǎng)。顯然，定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀查法難以同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求，為了解決這一問(wèn)題，可以采用改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，其基本思想：在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)附近，用較大的擾動(dòng)電壓以提高跟蹤速度，減少光伏電池在低功率輸出區(qū)的時(shí)間；在最大功率點(diǎn)附近區(qū)域，采用較小的擾動(dòng)電壓以保證跟蹤進(jìn)度[3]。具體方法是以功率P和電壓U的變化量的比值（）作為輸出電壓調(diào)整的步長(zhǎng)，如果過(guò)大，則以一個(gè)固定的數(shù)值來(lái)代替，其他的都是由表示步長(zhǎng)[5][6]。其流程圖如圖5所示。

圖5 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的流程圖

2.3 仿真分析

通過(guò)編寫(xiě)S函數(shù)把控制方法應(yīng)用于整個(gè)光伏系統(tǒng)中，并且把光照設(shè)為可變的，這樣就能檢查此方法在系統(tǒng)啟動(dòng)中以及外界環(huán)境突變時(shí)的跟蹤能力，圖6、圖7為定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法和變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法在整個(gè)光伏系統(tǒng)中的仿真圖：

由圖6可知：MPPT基本上在0.2s找到了最大功率點(diǎn)，在0.2s之前由于在尋找最大功率點(diǎn)，所以振蕩比較大；在0.2s之后，系統(tǒng)就會(huì)在最大功率點(diǎn)左右徘徊，所以會(huì)出現(xiàn)后面的較小的振蕩，而且這個(gè)振蕩程度與步長(zhǎng)有關(guān)，但是定步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀察法無(wú)法避免。在0.5s左右，光照強(qiáng)度由1000W/㎡變?yōu)?00W/㎡，則擾動(dòng)觀察法會(huì)判斷此時(shí)的電壓與功率進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤，由圖可以看出，在光照改變的情況下，擾動(dòng)觀察法也可以適用。

由圖7可知：變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法大概在0.15s達(dá)到穩(wěn)定值，比定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法迅速很多，而且穩(wěn)定后波動(dòng)很小。并且在光照強(qiáng)度改變后，能夠快速的跟蹤到最大功率點(diǎn)。

3 小結(jié)

本文首先建立了光伏電池的物理模型，分析了光伏電池的輸出特性，介紹了傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察，并且針對(duì)其缺點(diǎn)介紹了改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，該方法在外界環(huán)境變化的情況下，能夠使光伏電池快速準(zhǔn)確找到最大功率點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近振蕩極小，比較穩(wěn)定。

[1]戴訓(xùn)江, 晁勤. 太陽(yáng)能光伏模塊電氣特性的數(shù)學(xué)建模與仿真.半導(dǎo)體光電, 2009(1): p. 47-50+126.

[2]周德佳, 趙爭(zhēng)鳴, 袁立強(qiáng)等. 基于仿真模型的太陽(yáng)能電池陣列特性的分析. 北京：清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

[3]張興, 曹仁賢. 太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]陳進(jìn)美, 陳巒. 光伏發(fā)電最大功率跟蹤方法的研究. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2009(17): p. 40-45.

[5]路曉, 秦立軍. 自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法在光伏MPPT中的應(yīng)用與仿真. 現(xiàn)代電力, 2011(1): p. 80-84.

[6]劉莉, 張彥敏. 一種擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電MPPT中的應(yīng)用.電源技術(shù), 2010(2): p. 186-189.

Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Cells on Simulink

Yao Xiangping
Suzhou City Railway Group Ltd, 215004

The power output of photovoltaic cells relates to light intensity and temperature.When the external environment changes, it is necessary for real-time tracking of the maximum output power point of photovoltaic cells, so the efficiency of photovoltaic cells can reach maximum.In this paper,photovoltaic cell simulation model is built in simulink simulation software based on a physical model of the photovoltaic cell. At the same time,The methods of controlling the maximum power point tracking of the photovoltaic cells are also simulated in simulink.

photovoltaic cells；the maximum output power；simulate

10.3969/j.issn.1001-8972.2013.20.006