光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真研究

儲(chǔ)海兵

（江蘇昆山供電公司，昆山314100）

0 引言

隨著太陽能等常規(guī)能源的日漸枯竭，綠色環(huán)保的清潔能源日益受到人們的關(guān)注。諸如太陽能之類的可再生能源在各國得到著重發(fā)展，并被廣泛的應(yīng)用于發(fā)電系統(tǒng)中去。

太陽能發(fā)電有兩大類型：一類是太陽光發(fā)電（亦稱太陽能光發(fā)電），另一類是太陽熱發(fā)電（亦稱太陽能熱發(fā)電）。光伏發(fā)電是太陽能光發(fā)電的一種，它是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，是一種將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，光伏發(fā)電具有節(jié)能環(huán)保、不受資源分布制約、安全可靠等很多優(yōu)點(diǎn)，但是由于太陽光照具有不穩(wěn)定性，受氣候、環(huán)境影響較大，因此，光伏發(fā)電也存在著很多需要解決的難題，例如如何使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)。

光伏電池是光伏發(fā)電的一個(gè)重要組成部分，隨著太陽光照強(qiáng)度和溫度的不斷變化，光伏電池輸出的電壓和電流呈現(xiàn)出很強(qiáng)的非線性，在光照強(qiáng)度和溫度一定時(shí)，光伏電池具有唯一的一個(gè)最大功率點(diǎn)。因此，如何在外界環(huán)境不斷變化的條件下，使光伏電池的輸出功率始終保持在最大功率點(diǎn)處成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)亟待解決的問題。目前，為了實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤采用了很多控制方法，如擾動(dòng)觀測(cè)法、增量電導(dǎo)法、恒壓追蹤法等[1-2]。

在眾多方法中，擾動(dòng)觀察法具有實(shí)現(xiàn)簡單，跟蹤高效等特點(diǎn)，但是傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法步長固定，而步長的設(shè)置對(duì)其跟蹤速度與跟蹤精度有很大的影響。當(dāng)步長設(shè)置較小時(shí)，達(dá)到最大功率點(diǎn)所需要的擾動(dòng)次數(shù)較多，時(shí)間較長，達(dá)到最大功率點(diǎn)附近時(shí)震蕩的幅度較?。划?dāng)步長設(shè)置較大時(shí)，達(dá)到最大功率點(diǎn)所耗費(fèi)的時(shí)間較短，但達(dá)到最大功率點(diǎn)附近時(shí)的震蕩幅度較大。因此，如何選擇合適的步長，以獲得最快的跟蹤速度與較高的跟蹤精度成了一個(gè)重要問題。為了解決這一問題產(chǎn)生了很多改進(jìn)的方法，例如變步長變占空比擾動(dòng)觀察法、基于遺傳算法和擾動(dòng)觀察法的MPPT 算法[3]等。在本文中，采用MATLAB/Simulink 分別對(duì)擾動(dòng)觀察法、變步長變占空比擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了建模仿真，并對(duì)實(shí)際仿真運(yùn)行的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了比較觀察。結(jié)果表明，變步長變占空比擾動(dòng)觀察法較傳統(tǒng)的固定步長擾動(dòng)觀察法在跟蹤速度和跟蹤精度方面都有了明顯的改善提高。

1 光伏電池工作特性

光伏電池的輸出功率隨著太陽光照強(qiáng)度、溫度和負(fù)載的變化而成非線性變換，外部條件固定時(shí)，在特定工作電壓下，功率達(dá)到最大值時(shí)，這個(gè)功率最大值點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)（Maximum Power Point，MPP）。光伏電池P-U 特性曲線如圖1 所示。

圖1 光伏電池P-U特性曲線

在使用太陽能光伏發(fā)電的過程中，為了提高系統(tǒng)的工作效率，獲得最優(yōu)的性能，需要對(duì)功率進(jìn)行不斷尋優(yōu)，以使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這個(gè)尋優(yōu)過程被稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）[4]，目前，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)已成為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究熱點(diǎn)。

2 工作原理及系統(tǒng)建模與仿真

傳統(tǒng)的固定步長擾動(dòng)觀察法及改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法仿真模型包括：光伏電池（PV）模塊[5]，DC/DC 變換電路，擾動(dòng)觀察法（P&O）控制器模塊,脈沖寬度調(diào)制（PWM）模塊。

仿真參數(shù)設(shè)定如下：環(huán)境溫度為25°C，太陽光照強(qiáng)度為從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2。電容C1=0.001F,電容C2=0.002F，電感L=0.003H；PWM脈沖信號(hào)周期為0.001s，零階保持器的采樣周期為0.0001s，負(fù)載R=18Ω。

系統(tǒng)的工作流程為：首先，設(shè)定太陽光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度。為了更好地觀察擾動(dòng)觀察法的跟蹤效果，本文中將環(huán)境溫度設(shè)為25°C，太陽光照強(qiáng)度設(shè)為從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2。光伏電池模塊輸出電壓U 和電流I，電壓、電流經(jīng)檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化為擾動(dòng)觀察法控制器所需要的信號(hào)形式輸入到擾動(dòng)觀察法控制器模塊，經(jīng)過擾動(dòng)控制后再將輸出的信號(hào)輸入到脈沖寬度調(diào)制模塊中去。通過脈沖寬度調(diào)制模塊，改變輸出波形的占空比。再將改變占空比之后的波形輸入至DC/DC 變換電路，通過使用DC/DC 電路，將電壓不穩(wěn)定的直流電流變成我們所需要的電壓穩(wěn)定的直流電流。將電壓值與電流值相乘，所得結(jié)果輸入到示波器，通過示波器觀察尋優(yōu)的過程。通過擾動(dòng)觀察法控制器的不斷擾動(dòng)，調(diào)整電壓或者占空比，最終找到最大功率點(diǎn)，完成最大功率點(diǎn)尋優(yōu)的過程。

2.1 擾動(dòng)觀察法原理及仿真模型

擾動(dòng)觀察法的原理是對(duì)光伏電池輸出的電壓進(jìn)行不斷擾動(dòng)調(diào)整，通過比較擾動(dòng)前后功率值的大小，不斷調(diào)整擾動(dòng)方向，最終找到最大功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)尋優(yōu)過程中，若功率值較前一時(shí)刻增大，說明電壓調(diào)整的方向正確，則繼續(xù)按照原方向?qū)﹄妷哼M(jìn)行擾動(dòng)；若功率值較前一時(shí)刻減小，說明電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，則改為采用與原方向相反的擾動(dòng)。

擾動(dòng)觀察法的算法流程圖如圖2 所示。

圖2 擾動(dòng)觀察法的算法流程圖

基于擾動(dòng)觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型如圖3 所示。

圖3 基于擾動(dòng)觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 仿真模型

2.2 變步長變占空比擾動(dòng)觀察法原理及仿真模型

變步長變占空比擾動(dòng)觀察法的原理是每隔一定的時(shí)間對(duì)光伏電池的占空比進(jìn)行變步長的擾動(dòng)，使占空比增加或減少，與此同時(shí)，同時(shí)對(duì)輸出功率進(jìn)行觀測(cè)，通過比較功率值的變化方向決定下一步的擾動(dòng)方向，最終實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)尋優(yōu)的目的。

圖4 基于變步長變占空比擾動(dòng)觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型

變步長變占空比擾動(dòng)觀察法的仿真模型在基于擾動(dòng)觀察控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 仿真模型的基礎(chǔ)上對(duì)P&O 模塊與PWM 模塊進(jìn)行了改進(jìn)，將固定步長固定占空比的擾動(dòng)形式變?yōu)樽儾介L變占空比的擾動(dòng)形式[6-8]。

本文所采用的變步長變占空比擾動(dòng)觀察法的思路為將電壓、電流相乘，獲得功率P。通過P 的變化方向，來對(duì)占空比進(jìn)行變步長擾動(dòng)。若功率值較前一時(shí)刻增大，說明占空比調(diào)整的方向正確，則采用大步長來改動(dòng)占空比，將步長值設(shè)置為0.01，占空比擾動(dòng)方向不變；若功率值較前一時(shí)刻減小，說明占空比調(diào)整的方向錯(cuò)誤，則改為采用小步長來改動(dòng)占空比，將步長值設(shè)置為0.001，占空比擾動(dòng)方向設(shè)置為與原擾動(dòng)方向相反。其仿真模型如圖4 所示。

2.4 仿真結(jié)果

傳統(tǒng)的固定步長擾動(dòng)觀察法仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 基于擾動(dòng)觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真結(jié)果

如圖5 所示，日照強(qiáng)度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時(shí)，仿真分別于0.25 秒、2.12 秒、4.14 秒左右達(dá)到穩(wěn)定，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，該光照強(qiáng)度下的輸出功率最大值分別為190W、151W、107W 左右。達(dá)到穩(wěn)定后，曲線在一定的范圍內(nèi)來回震蕩。

如圖6 所示，日照強(qiáng)度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時(shí)，仿真分別于0.02 秒、2.03 秒、4.06 秒左右達(dá)到穩(wěn)定。系統(tǒng)穩(wěn)定后保持在一個(gè)恒定的值上，無震蕩，不會(huì)有多余的能量損失。

圖6 基于變步長變占空比擾動(dòng)觀察法控制算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT仿真模型

3 結(jié)語

本文對(duì)擾動(dòng)觀察法及變步長變占空比擾動(dòng)觀察法的跟蹤原理進(jìn)行了分析，并據(jù)此對(duì)兩種方法建立MATLAB/Simulink 仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。通過仿真實(shí)驗(yàn)，獲得了最大功率跟蹤的尋優(yōu)曲線，將獲得的尋優(yōu)曲線進(jìn)行了對(duì)比，進(jìn)一步說明變步長變占空比擾動(dòng)觀察法較之傳統(tǒng)的固定步長擾動(dòng)觀察法更加具有優(yōu)越性。

在環(huán)境溫度為25°C，太陽光照強(qiáng)度從1000W/m2變化到800W/m2再變化到600W/m2時(shí)，采用固定步長擾動(dòng)觀察法在經(jīng)過一段時(shí)間的尋優(yōu)后能夠達(dá)到最優(yōu)值，并在最優(yōu)值附近不斷震蕩，雖然震蕩步長設(shè)置合理時(shí)，震蕩的幅度不會(huì)很大，但也會(huì)產(chǎn)生一定的不必要的能量損失；采用變步長變占空比擾動(dòng)觀察法時(shí)，能夠在很短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最優(yōu)值，并且在達(dá)到最優(yōu)值時(shí)穩(wěn)定在一個(gè)固定的數(shù)值，不發(fā)生震蕩，因此不會(huì)產(chǎn)生能量損失。仿真結(jié)果表明：采用變步長變占空比擾動(dòng)觀察法時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能良好，能夠很好地適應(yīng)不斷變化的外界環(huán)境，在太陽光照強(qiáng)度變化較大時(shí)，能夠快速尋找到最大功率點(diǎn)，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處，具有很好的實(shí)用價(jià)值。