基于變步長電導增量法MPPT的研究

【摘要】光伏電池的輸出功率與太陽輻射和環(huán)境溫度變化，若不加以控制，將不會以最大功率輸出。本文提出了一種變步長電導增量法，在光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)最大功率點跟蹤。應用MATLAB建立光伏電池板的最大功率點跟蹤變步長電導增量法的仿真模型并仿真。仿真結果表明，變步長電導增量法跟蹤最大功率點效果良好，相比傳統(tǒng)電導增量法，減弱了最大功率點附近振蕩的情況，適合于快速變化的環(huán)境條件，具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

【關鍵詞】光伏發(fā)電；最大功率點跟蹤；電導增量法；變步長

Abstract：The power available at the output of photovoltaic cells keeps changing with solar insolation and ambient temperature.If the power output of photovoltaic cells is not well controlled，it will not work at the maximum point.This paper presents a variable step size incremental conductance method for tracking maximum power point in photovoltaic power systems.In this paper，simulation model of photovoltaic system’s maximum power point tracking（MPPT）is developed in the MATLAB software.The results of simulation show this control algorithm significantly improves the efficiency during the tracking phase.As compared to the tradition algorithm about MPPT in photovoltaic power systems.It is especially suitable for fast changing environmental conditions.It reduces the oscillation around the maximum power point with good dynamic and steady-state characteristics.

Key words：photovoltaic power；MPPT；incremental conductance；variable step size

1.引言

由于傳統(tǒng)化石燃料的稀缺性和對環(huán)境的不利影響，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)變得越來越受歡迎，太陽能的好處是可重復使用、可持續(xù)，并不會產生任何污染。然而在外界環(huán)境和負載的變化的情況下，太陽能轉換成電能的效率并不高。為了在不斷變化的環(huán)境下提高光伏電池的輸出功率，最大功率點跟蹤（MPPT）已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中一個至關重要的問題。世界各地的學者已經提出了許多最大功率點跟蹤的方法[1-3]。本文應用了一種變步長電導增量法，通過仿真實驗證明，當外界環(huán)境變化時，應用變步長電導增量跟蹤方法與傳統(tǒng)方法相比，減弱了最大功率點附近振蕩的情況，適應能力強，具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。

2.光伏電池的原理分析

典型的光伏電池等效電路圖如圖1所示。

圖1 光伏電池的等效電路

根據光伏電池等效電路，可以得出對應的U-I方程如下[4]：

（1）

其中V和I是光伏電池的輸出電壓和電流；Rs和Rsh是串聯(lián)和并聯(lián)電阻，q為電子的電荷量（1.602×10-19C）；Np為并聯(lián)連接的電池數(shù)量，Ns為串聯(lián)連接的電池數(shù)量；n為光伏電池板數(shù)，k為波耳茲曼常量（1.38×10-23J），在光伏電池板的無量綱；Isc是光伏電池產生的光生電流；Tk為絕對溫度；I0是光伏電池的反向飽和電流。

在式（1）中，Isc的數(shù)學表達式如式（2）所示：

（2）

其中Tr為光伏電池板的參考溫度，Iscr為參考溫度和輻射時的太陽能電池的短路電流。KI為光伏電池板的短路電流的溫度系數(shù)，Si為太陽能輻射。Io的數(shù)學關系如式（3）所示：

（3）

Irr為光伏電池板在參考溫度下的反向飽和電流；Egap為電池使用的半導體的帶隙能量。在特定的參數(shù)，當RSH的值很高的情況下，理想RS的值是極小的，所以在一般工程應用時，可以把式（1）可以簡化如式（4）所示[5]：

（4）

由式（4）可以推出太陽能電池功率表達式如式（5）所示：

（5）

根據式（2）-（5），并用MATLAB進行計算機仿真，在25℃以下的理想工作溫度下，特性曲線可以根據太陽輻射的變化值得出。本文使用光伏電池板的型號為ET-P654200，主要參數(shù)如表1[6]所示。

表1 ET-P654200光伏電池板主要參數(shù)

型號數(shù)值

峰值功率200W

最大工作電壓27.21V

最大工作電流7.36A

開路電壓32.72V

適中電流7.86A

最大系統(tǒng)電壓DC1000V

短路電流溫度系數(shù)0.065%/℃

開路電壓溫度系數(shù)0.346%/℃

峰值功率溫度系數(shù)-0.488%/℃

圖2為太陽輻射和光伏電池板輸出功率的關系，當太陽輻射下降，輸出功率也下降，最佳功率點移動，因此必須通過調整設備的電壓和電流來調整最優(yōu)功率點，使得太陽能得到最大利用。

圖2

3.電導增量法

目前，常用的最大功率跟蹤方法有固定電壓法，擾動觀察法和電導增量法。其中，電導增量法的跟蹤準確性高，在太陽輻射變化的情況下具有良好的適應能力，因此被廣泛使用，本文采用此方法對光伏電池板的MPPT進行研究。

3.1 定步長電導增量法

由P-U特性曲線可知：最大功率點處斜率0，即dP/dU=0；在最大功率點左側處，dP/dU>0；在最大功率點右側處，dP/dU<0。

根據這一特性，因為有：

P=IU （6）

將該式兩端對U求導，則有：

（7）

（8）

由式（8）可知，光伏電池板達到最大功率點的條件為輸出電導的變化量等于輸出電導的負值。輸出電導的變化量相等于輸出電導的負值時，太陽電池工作于最大功率點（MPP），若不相等，則要判斷dP/dU是否大于零。電導增量法流程圖如圖3所示。圖3中U（k）、I（k）表示光伏電池當前的檢測出的輸出電壓、輸出電流，U（k-1）、I（k-1）表示檢測到的光伏電池前一采樣周期輸出電壓、輸出電流。

圖3 電導增量法流程圖

3.2 變步長電導增量法

選擇定步長電導增量法的不足之處在于：步長值設置得過大，會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定；步長值設置得過小，則會增加系統(tǒng)穩(wěn)定時間，增加運算負擔。為了提高MPPT控制的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能，本文提出了一種的變步長電導增量法。

變步長電導增量的控制流程圖如圖4所示，由圖2（a）可知，光伏電池板輸出功率最大時的電壓約為開路電壓Uoc的0.78倍。因此可以這樣設定：在[0.7Uoc，0.85Uoc]區(qū)間內，步長設置得小些，而在其余區(qū)間內取較大步長，這樣也能縮短震蕩時間。這種方法根據最大功率點處U-P特性曲線斜率絕對值的不同，分別設置不同長度的步長，這樣就有效地減小了系統(tǒng)在最大功率點附近的振蕩，能夠迅速、準確的找到最大功率點。

4.仿真及結果分析

4.1 仿真模型

為了驗證變步長電導增量法的有效性，利用MATLAB/Simulink構建仿真模型，如圖5所示。其中MPPT控制模塊由S函數(shù)構建，實現(xiàn)變步長電導增量法功能，占空比增量步長分別設置為ΔD1=0.004，ΔD2=0.04，ΔD3=0.01。

4.2 仿真結果分析

在仿真中，仿真算法為ode23，采樣頻率為1000Hz，設置仿真條件為光照強度800W/m2，電池溫度25℃。設置0.5s時太陽輻射強度突變到1200W/m2，應用本文提出的算法與定步長電導增量法對最大功率點跟蹤情況進行仿真，仿真結果如圖6、圖7所示。

根據圖6、圖7可知，采用定步長電導增量法跟蹤最大功率點時，在穩(wěn)定狀態(tài)出現(xiàn)較大的振蕩，很難達到穩(wěn)定的工作狀態(tài)。變步長電導增量法相對于定步長電導增量法，可以由外界環(huán)境的變化較快的跟蹤最大功率點，而且當功率接近穩(wěn)定時的振蕩幅度也較小。

5.結論

本文通過對光伏電池工作原理分析，針對定步長的缺陷，提出了變步長電導增量MPPT算法。并通過軟件仿真分析得出，該方法跟蹤精度高，在最大功率點處振蕩小，能適應外界環(huán)境的變化，快速準確地追蹤最大功率點。

參考文獻

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[4]馮垛生，王飛.太陽能光伏發(fā)電技術圖解指南[M].北京：人民郵電出版社，2011.

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[6]http：//www.etsolar.cn.

[7]Esram T，Chapman P L.Comparison of Photovoltaic Array Maxi-mum Power Point Tracking Techniques.National Science Foundation ECS-01-34208，2005.

基金項目：江蘇省“青藍工程”綠色建筑技術科技創(chuàng)新團隊資助項目；徐州地區(qū)既有居住建筑能耗調查及節(jié)能改造技術研究（住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目：2012-K1-6）。

作者簡介：侯文寶（1982—），男，江蘇徐州人，碩士研究生，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。