基于Simulink的光伏特性仿真分析與MPPT算法改進

朱玉玉 劉先勇

基于Simulink的光伏特性仿真分析與MPPT算法改進

朱玉玉 劉先勇

(西南科技大學信息工程學院 四川綿陽 621010)

太陽能電池的輸出功率隨光照強度和環(huán)境溫度的變化而變化，設計一種合理的最大功率跟蹤(MPPT)算法對于太陽能的使用具有重要意義。分析、仿真了太陽能光伏電池特性，并結合傳統(tǒng)最大功率跟蹤算法的優(yōu)點，設計一種改進型的最大功率跟蹤算法，在不干擾系統(tǒng)正常工作的情況下能迅速感知外界環(huán)境變化，使系統(tǒng)輸出功率快速穩(wěn)定在最大功率點。研究表明，該算法具有跟蹤速度快、振蕩小、可靠性高等優(yōu)點，適用于光伏發(fā)電場合。

太陽能 光伏特性 光伏發(fā)電 MPPT算法

隨著全球石油資源的匱乏，各國越來越重視可再生資源的利用，太陽能就是其中的一種最具潛能的新能源。據(jù)有關分析，到2030年太陽能光伏發(fā)電將占到世界總電力的10%［1］。太陽能光伏發(fā)電具有清潔無污染、無噪聲、安全可靠以及可再生等優(yōu)點，但是目前的光伏發(fā)電系統(tǒng)都普遍存在太陽能利用率低、造價高等問題。為了能實時快速跟蹤太陽能最大功率點，研究一種高效快速的太陽能功率跟蹤算法十分重要。目前，最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)算法很多，比如恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀測法(P＆O)、增量電導法(INC)、恒定電流跟蹤法(CIT)、迭代比較法［2－3］等，但是，不同的理論算法在實際使用過程中都存在不同的問題。本文利用Matlab/simulink對太陽能光伏陣列特性進行仿真，結合各種MPPT算法的優(yōu)缺點，提出了一種改進型MPPT控制算法，并通過理論分析和仿真驗證了該算法可以快速和精確地跟蹤太陽能光伏陣列最大功率點，實現(xiàn)最大功率輸出。

1 光伏陣列特性及其等效模型

1.1 光伏陣列等效模型

太陽能光伏電池輸出電流隨著光強的變化而變化，當外界的光強一定時，太陽能光伏電池就可以近似為一種恒流電源，其等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路圖Fig.1 The equivalent circuit of PV

根據(jù)理論，由圖1可以得出太陽能光伏電池的等效模型［4－5］為:

式中:I——光伏電池輸出電流;Id——流過二極管電流;Ish——流過并聯(lián)電阻電流;IL——光生電流;Io——二極管反向飽和電流;A——二極管因子，通常情況下取40～60;K——玻耳茲曼常數(shù)，K=1.38×10－23J/K; T——以絕對溫度表示的結溫，T=t+273(其中t為攝氏度);q——電子電荷量，q=1.6×10－19C;U——光伏電池輸出電壓;Rs——串聯(lián)電阻;Rsh——并聯(lián)電阻。

在實際理論分析中，由于太陽能的并聯(lián)電阻Rsh往往很大，串聯(lián)電阻Rs很小，由此忽略公式(1)中的Rs，Rsh，可將(1)簡寫為:

當外部負載開路時，此時外部斷開，有I=0，因此上式可以改寫為(3)式:

而通過光伏特性資料分析發(fā)現(xiàn)，太陽能電池板光生電流、開路電壓與環(huán)境的溫度、光照強度有關，如式(4)、式(5):

式中Isc，Uocs分別為標準情況(太陽能光伏電池板溫度為25℃，日照強度為1 000 W/m2)下的短路電流和開路電壓;Uoc為相對標準情況下不同溫度的開路電壓;KI為短路電流溫度系數(shù)，KI=0.0012Isc(A/℃);KV為開路電壓溫度系數(shù)，KV=0.005Uocs(V/℃);T－開氏度，T= t+273(其中t為攝氏度);S－光照強度。

將式(3)、式(4)、式(5)分別帶入公式(2)可以得出太陽能光伏輸出電流I［6］為:

1.2 太陽能光伏電池特性

從公式(6)可以得出，太陽能光伏電池的輸出受外界因素的影響很大。將公式(6)轉(zhuǎn)換成數(shù)學模型，取短路電流 Isc=5.1 A，開路電壓 Uocs=22 V，A=40，同時將KI，KV代入，利用Matlab/simulink進行軟件仿真，得出如圖2所示的光伏電池等效輸出電流模型圖。圖3為標準溫度下，光照強度分別為400 W/m2，600 W/m2，800 W/m2，1 000 W/m2下的I－U和P－U曲線圖。I－U圖中虛線相切，即為太陽能光伏輸出功率最大點，而且從P－U圖可以看出當外界環(huán)境溫度相同時，無論光照強度增加還是減少，最大功率點的輸出電壓都基本相同。圖4為光照強度為1 000 W/m2的情況下，溫度分別為5℃，15℃，25℃，35℃的I－U和P－U曲線圖。從圖中可以看出，當光照強度相同時，在一定的輸出電壓范圍內(nèi)，不同的溫度具有相同的輸出功率，當超過這個范圍后，隨著溫度的增加，其輸出功率逐漸減小。

圖2 光伏電池等效輸出電流模型圖Fig.2 The equivalent current model of PV

圖3 相同溫度不同光照強度下的I－U和P－U曲線圖Fig.3 I－U and P－U curves for different light intensity at the same temperature

2 光伏陣列MPPT算法

2.1 MPPT控制原理

太陽能光伏陣列的輸出特性具有非線性的特點，并且輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載影響，當輸出電壓達到一定值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大值，此點稱為最大功率點(MPP－maximum power point)。為了提高太陽能電池板的利用率，就必須使系統(tǒng)保持運行在最大功率點附近。

2.2 常用MPPT跟蹤算法

恒定電壓跟蹤法(Constant Voltage Tracking，簡稱CVT)是通過控制太陽能光伏電池的輸出電壓，使太陽能電池板恒壓輸出，達到最大功率點跟蹤的目的。從圖3的P－U曲線可以看出，當溫度相同，不同的光強下，最大功率點的電壓幾乎穩(wěn)定在同一個值，其電壓值近似為電池板開路電壓的0.78倍。圖5為基于Matlab/simulink仿真的恒定電壓跟蹤法跟蹤曲線，從圖5上下兩幅圖可知，雖然其跟蹤速率達到1 s，但是由于電池板生產(chǎn)工藝和參數(shù)的差異，使其最大功率點電壓不處在0.78倍開路電壓附近，這將可能導致過度跟蹤和跟蹤不足。采用恒定電壓跟蹤法具有操作簡單、跟蹤速度快的優(yōu)點，但其跟蹤誤差大，對環(huán)境的依賴性很強，很難適應不同的環(huán)境。

圖4 相同光照強度不同溫度下的I－U和P－U曲線圖Fig.4 I－U and P－U curves for different temperature at the same light intensitye

增量電導法(Incremental conductance method，簡稱INC)是通過求導的方式實現(xiàn)最大功率點跟蹤。從圖3、圖4的P－U圖可以看出，最大功率點有dP/dU=0。但是MPPT算法的實現(xiàn)實際是根據(jù)光伏電池的輸出電壓和輸出電流來確定其最大功率點，由功率、電壓和電流關系可以將太陽能光伏輸出功率表示為Po=Uo*Io，對電壓Uo求導可得:

式中Po－太陽能光伏電池輸出功率，Uo－光伏電池輸出電壓，Io光伏電池輸出電流。

通過式(7)可以得出當Io/Uo=－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＜0，此時即為功率最大點;當 Io/Uo＜－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＜0，則Uo＞UMPPT(UMPPT為最大功率點電壓)，光伏輸出電壓過大;當Io/Uo＞－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＞0，則Uo＜UMPPT，光伏輸出電壓過?。?］。以上作為軟件的判斷依據(jù)，并進行相應的控制，即可實現(xiàn)對光伏電池最大功率點的跟蹤。圖6為增量電導法跟蹤曲線，從圖6可以看出，此跟蹤算法能準確跟蹤到最大功率點，并且穩(wěn)定在最大功率點，但是其跟蹤到最大功率點所需時間是恒定電壓跟蹤法的兩倍，這將嚴重影響最大功率點的跟蹤速率。

圖5 恒定電壓跟蹤法(CVT)跟蹤曲線Fig.5 Tracking curves for Constant Voltage Tracking

圖6 增量電導法(INC)跟蹤曲線Fig.6 Tracking curves for Incremental conductance method

2.3 改進的MPPT算法

分析以上兩種算法可以得出，采用CVT跟蹤算法控制時，系統(tǒng)的啟動過程具有最優(yōu)的特性，而且其控制簡單，僅需要判斷光伏系統(tǒng)的實際輸出電壓與設定電壓指令值之間的大小關系，即可單方向調(diào)節(jié)控制器輸出，功率輸出單向增加，無振蕩。該控制策略可以很方便地移植到增量電導法MPPT方法中，以實現(xiàn)啟動過程的優(yōu)化。因此該系統(tǒng)改進算法的核心思想及控制原理就是:避免MPPT啟動速度過慢，跟蹤誤差過大，系統(tǒng)結合了恒定電壓跟蹤法和增量電導法兩種算法的優(yōu)點，提出了一種能快速啟動、跟蹤誤差小、兼具增量電導法優(yōu)點的MPPT算法。系統(tǒng)在上電時，初始采用恒定電壓跟蹤法，將光伏電池的輸出電壓從高向低調(diào)節(jié)到開路電壓的0.78倍，實現(xiàn)快速啟動，然后逐漸縮小擾動步長，循環(huán)調(diào)節(jié)，將光伏輸出鎖定在理論最高功率點附近。最后循環(huán)利用增量電導法，通過求導的方式找到功率最高點，達到最大功率點跟蹤的目的［8］。圖8為改進型MPPT控制算法流程圖。

2.4 實驗仿真及分析

利用Matlab/simulink建立數(shù)學模型進行軟件仿真，模擬仿真標準狀態(tài)(光伏電池面板溫度為25℃，光照強度為1 000 W/m2)下的光伏特性曲線圖，圖7為改進型增量電導法Simulink模型及電流計算模型，上圖為整體Simulink模型，下圖為電流計算模型。圖9是標準狀態(tài)下光伏特性曲線，反映的是輸出功率、輸出電流隨輸出電壓變化的關系，從圖9中可以看出最大功率點很接近太陽能電池板的開路電壓。

圖7 改進型增量電導法Simulink模型及電流計算模型Fig.7 Simulink model of improve incremental conductance method and current calculation

圖8 改進型MPPT控制算法Fig.8 Improved MPPT control algorithm

考慮到以上算法的不足，本文采用如圖8的流程圖方式實現(xiàn)仿真，逐步降壓，使其快速穩(wěn)定在0.78倍開路電壓附近，然后利用改進MPPT算法實現(xiàn)最大功率點跟蹤。圖10為改進MPPT算法跟蹤曲線圖，和前面的CVT跟蹤算法和INC跟蹤算法對比，從圖中實時跟蹤功率P/W曲線可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)僅需要0.6 s即可平穩(wěn)地進入穩(wěn)態(tài)，遠快于采用上面介紹的兩種MPPT跟蹤算法的啟動速度，并且啟動過程中功率平穩(wěn)上升，無振蕩，具有很好的啟動特性，證明該算法兼具恒定電壓跟蹤法和增量電壓法的優(yōu)點，能快速穩(wěn)定跟蹤最大功率點，達到了預期的設計目的。

圖9 標準狀態(tài)下光伏特性曲線Fig.9 PV property curves under standard conditions

圖10 改進MPPT跟蹤曲線Fig.10 Tracking curves for improved MPPT

3 結論

太陽能光伏電池輸出特性受環(huán)境溫度、光照強度和負載等因素的影響很大，為了減少能量的損失，使太陽能電池板輸出最大的功率，需要對最大功率點實時跟蹤。本文基于Matlab/simulink對光伏陣列特性實現(xiàn)仿真，然后結合CVT和INC最大功率點跟蹤算法的優(yōu)點，提出一種改進型MPPT控制算法。通過仿真發(fā)現(xiàn)，此算法具有跟蹤速度快、穩(wěn)定度高的優(yōu)點，特別適合太陽能光伏發(fā)電等場合。

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Simulation of Photovoltaic Propreties and MPPT Algorithm Based Simulink

ZHU Yu－yu，LIU Xian－yong

(School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China;)

With the change of light intensity and ambient temperature，the output power of solar will be different.It is meaningful for the use of solar energy to design a reasonable maximum power point tracking (MPPT)algorithm.This paper analyzes and simulates the properties of solar PV，and designs an improved MPPT algorithm which combines with the advantages of the traditional MPPT algorithm.Under conditions of no interfering，the algorithm can quickly perceive changes of the external environment and make the output power of system fast and stable at the maximum power point.The research shows that the algorithm has some advantages such as fast tracking speed，small vibration，high reliability，especially suitable for PV occasions.

Solar;Photovoltaic properties;photovoltaic power generation;MPPT algorithm

TK519

A

1671－8755(2015)03－0076－05

2015－06－07

四川省國防科技基金(JMKF－2013－38－053)。

朱玉玉(1979—)，男，講師，碩士，研究方向為電源技術、智能儀器儀表。E－mai:zhuyuyu_008@163.com