基于Matlab／Simulink的光伏組件特性及MPPT仿真研究

毛遠(yuǎn)軍，陳澤濤，裴 勉，譚新玉

（1.新能源微電網(wǎng)湖北省協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

1 Matlab建模

1.1 光伏電池等效電路及其數(shù)學(xué)模型

光伏電池等效電路［1］如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

圖1中，Iph—光生電流；Id—PN 節(jié)正向電流；Rs—串聯(lián)電阻；Rsh—分流電阻；Ish—漏生電流；

由等效電路可知光伏電池輸出電流：

式中，

由式（2）、（3）可得光伏電池輸出電流：

式中，I0為光伏電池?zé)o光照條件時的反向飽和電流；q是電子電荷常數(shù)；U是負(fù)載端電壓（V）；A是二極管常數(shù)因子；K是玻耳茲曼常數(shù)；T是絕對溫度K。

1.2 工程數(shù)學(xué)模型

由于上述所涉及到的方程比較復(fù)雜，在工程實踐中應(yīng)用繁瑣，而光伏組件廠家往往只提供STC（標(biāo)準(zhǔn)測試條件）下的5個參數(shù)：最大功率點處的組件輸出功率、開路電壓Uoc、短路電流ISC、最大功率點處的電壓Um、最大功率點處的電流Im。因此工程上普遍采用工程模型［1，2］，工程模型的處理方法是將Rsh看作無窮大，并假定Iph＝Isc，最終光伏電池輸出電流為：

式中，

當(dāng)環(huán)境輻照度（S）和溫度（T）發(fā)生變化時，更新Uoc、Isc、Um、Im：

式中，a＝0.0025，b＝0.5，c＝0.00288，e是自然對數(shù)。

1.3 Matlab／Simulink建模

已知某型號光伏組件STC條件下參數(shù)如表1，在Matlab／Simulink中建立仿真模型如圖2所示。

表1 某型號光伏組件參數(shù)

圖2 PV module模型

在Simulink中改變輻照度S和T得到該組件的I－U和P－U曲線，仿真圖像如圖3（a）、（b）所示。以仿真圖像對比表1該組件參數(shù)，可知該仿真結(jié)果較好地驗證了廠家參數(shù)，能夠運用于模擬仿真。

圖3 T＝25℃時，S變化的I－U、P－U 特性曲線

2 MPPT仿真

2.1 MPPT仿真模型

MPPT仿真模型如圖4所示，該模型主要組成部分為光伏電池、MPPT模塊、PWM信號發(fā)生模塊、Boost升壓模塊，參數(shù)為：L＝30 mH，C1＝1 mF。

圖4 MPPT仿真模型

2.2 改進(jìn)擾動觀察法

擾動觀察法［3～7］是在某工作電壓下檢測系統(tǒng)輸出功率，然后在此電壓上施加一正向擾動△U，如果此時輸出功率增大則繼續(xù)增加正向擾動，反之則施加反向擾動－△U，這樣反復(fù)施加擾動以搜索最大功率。但是這種方法使功率在P－U曲線的最大功率點兩邊徘徊振蕩。本文采用改進(jìn)擾動觀察法，其模型如圖5所示。

圖5 改進(jìn)擾動觀察法

STC條件下的仿真執(zhí)行結(jié)果如圖6所示，系統(tǒng)在0.05 s處趨于穩(wěn)定，輸入、輸出功率分別是233.7281 W、227.7154 W，而穩(wěn)定情況下輸出功率波動范圍為227.7154 W～228.0922 W，可見改進(jìn)后的輸出功率波動范圍很小，具有比較好的穩(wěn)定性。

圖6 系統(tǒng)輸入、輸出功率

3 總 結(jié)

本文建立了光伏電池工程數(shù)學(xué)模型Matlab仿真，通過仿真表明該模型具有較好的準(zhǔn)確性及適用性。在最大功率問題上，建立了MPPT仿真模型，采用改進(jìn)擾動觀察法，使得光伏輸出功率振蕩減小，提高了系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性。

［1］ 孫志松.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的 MATLAB仿真研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

［2］ 傅 望， 周林，郭 珂，劉 強(qiáng)，代 璐，黃 勇.光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，10：211－216.

［3］ 劉利紅，陳啟正.基于BOOST電路光伏電池的MPPT仿真研究［J］.電氣技術(shù)，2011，（09）：10－13.

［4］ 胡長武.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤方法研究［D］.錦州：遼寧工業(yè)大學(xué)，2014.

［5］ 姚光輝.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及MPPT技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2014.

［6］ 宋 亮，王曉東，劉 雯，徐 銳，楊富華.光伏電池MPPT擾動觀察法的研究現(xiàn)狀［J］.半導(dǎo)體光電，2012，（04）：455－462.

［7］ 吳華波.基于擾動觀察法的最大功率跟蹤的實現(xiàn)［J］.電測與儀表，2010，（11）：42－46.