光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤

洪曉燕 李佳鵬 盧奇 李凱

摘要：通過對光伏電氣特性的分析，建立其數(shù)學(xué)模型，描繪出光伏電池在不同溫度及光照強度下的特性曲線，基于特性曲線應(yīng)用變步長擾動觀察法對其最大功率點進(jìn)行跟蹤比較。經(jīng)過仿真驗證得出，變步長擾動觀察法有著跟蹤速度較快的優(yōu)勢，同時在達(dá)到最大功率點時相對穩(wěn)定，進(jìn)而有效提高了系統(tǒng)的輸出效率。

關(guān)鍵詞：最大功率點跟蹤;光伏電池;擾動觀察法;仿真

0? ? 引言

一般將阻抗加在光伏矩陣和負(fù)載間來進(jìn)行最大功率點跟蹤的方法稱為“最大功率點跟蹤控制法”（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心技術(shù)，相關(guān)研究人員對此提出了大量的MPPT算法，包括智能算法和傳統(tǒng)算法。其中，傳統(tǒng)方法因其控制簡單的優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用，其主要方法有擾動觀察法[1-2]和增量電導(dǎo)法[3]?，F(xiàn)有的算法都存在自身的優(yōu)缺點，因而需要對各類算法的優(yōu)缺點和適用條件進(jìn)行深入了解及對比分析，從而更有效地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

現(xiàn)有MPPT算法的應(yīng)用前提都是假設(shè)光伏陣列受到的光照均勻，但是實際光伏陣列被遮擋的概率很大。在光伏陣列中，如果出現(xiàn)了局部遮陰情況，就會在輸出特性中出現(xiàn)多峰狀現(xiàn)象。在這種困境下，基于尋優(yōu)單峰的傳統(tǒng)MPPT算法會暴露難以搜尋到全局最優(yōu)的缺陷，因此對于性能更為優(yōu)良的MPPT算法的研究具有重要意義。

1? ? 光伏電池數(shù)學(xué)模型及特性曲線

圖1為光伏電池等效模型[4]，該圖中的電流源Iph表示光生電流，Rsh代表等效并聯(lián)電阻，Rs代表串聯(lián)電阻，U、I分別代表輸出電壓、輸出電流。

它們之間的特性關(guān)系如下：

當(dāng)出現(xiàn)光照充足情況時，光生電流會遠(yuǎn)大于（U+IRs）/Rsh，因此忽略式（1）中此部分，化簡為：

式（2）會有一定的技術(shù)問題，比如相關(guān)參數(shù)不易獲得，而且會出現(xiàn)數(shù)據(jù)和廠家提供的參數(shù)數(shù)據(jù)不符合的現(xiàn)象。基于以上問題，本文通過建立新的實際模型，再選擇性地結(jié)合廠家提供的具體參數(shù)，從而具體地研究分析了光伏電池的輸出特性。本文選擇了一種參數(shù)如表1所示的型號為Solarex MSX60 60 W的光伏電池進(jìn)行仿真。

首先需要根據(jù)所輸入的U、G、T之間的函數(shù)關(guān)系求解電流I，從而得到光伏電池的特性曲線。同時為了得出式（2）的近似解，本文采用牛頓迭代法，為了保證求解的高精度，需對求出的解進(jìn)行五次迭代。為了計算出給定U、G、T下的電流，采用結(jié)合函數(shù)Ia=PV（Ua，G，Tac）的形式。仿真建模時，通過M函數(shù)的編寫就可以得出不同條件下的I-U曲線和P-U曲線，如圖2所示，G=1 000 W/m2為光照強度，同時將環(huán)境溫度設(shè)置為T=25 ℃，采取斜坡函數(shù)來輸入電壓，仿真中選擇ode45為解算器的算法模式，將仿真時間設(shè)置為20 s，選擇最大步長取為0.1。

分析圖2可以得出：

（1）Isc與G成正比關(guān)系;

（2）U受環(huán)境溫度改變的影響較大，Uoc和T近似為反比關(guān)系;

（3）在T不變的情況下，最大功率點電壓約等于Uoc的80%;

（4）受光照和溫度影響，光伏電池的最大功率點位曲線的峰點會改變。

2? ? 最大功率跟蹤算法

2.1? ? 最大功率點跟蹤原理

通過分析光伏系統(tǒng)輸出電壓、電流，并利用MPPT算法的自尋優(yōu)，實現(xiàn)阻抗變換器的占空比調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)整當(dāng)前的阻抗，最終目的是將等效阻抗匹配上光伏矩陣阻抗。系統(tǒng)的輸出功率會一直處于最佳工作狀態(tài)，而不隨其他影響因素改變。其等效的工作電路圖可以由圖3來表示。

等效內(nèi)阻可以用圖中的R來表示，等效負(fù)載表示為RL，其輸出功率最大在R與RL大小相等時出現(xiàn)。假設(shè)負(fù)載上消耗的功率為PL，則有：

對式（3）求導(dǎo)得：

光伏電池的輸出功率PL在RL=R時最大。

圖4是光伏系統(tǒng)的最大功率跟蹤示意圖，不同光照情況下的輸出特性曲線可由曲線α、β表示，兩個曲線分別在A和B取得其最大功率點。當(dāng)A點為光伏陣列運行點時，為了跟蹤到當(dāng)前的最大功率點，需要采取的措施是將負(fù)載由R1變換到R2。

2.2? ? 擾動觀察法

擾動觀察法[1-2]的工作原理：在一定的時間間隔里，光伏矩陣的輸出電壓會出現(xiàn)增加和減少的情況，同時對干擾后系統(tǒng)輸出功率的變化趨勢進(jìn)行分析，電壓的調(diào)整方向是否合適也需要進(jìn)行判定，目的是調(diào)整其干擾的方向。圖5為擾動法尋優(yōu)的過程。

方向A表示當(dāng)參考電壓升高時，其輸出功率靠近最大功率點的坐標(biāo)點，但當(dāng)參考電壓繼續(xù)升高，就會出現(xiàn)越過最大功率點的現(xiàn)象。此刻方向B作用，功率會隨著電壓的升高而減小，從而遠(yuǎn)離最大功率點。當(dāng)該算法監(jiān)測到功率減小時，就會改變電壓的擾動方向，即過程D;功率減小會再次出現(xiàn)之前的狀況，如過程C所示，如此循環(huán)往復(fù)對電壓的擾動方向進(jìn)行改變。

3? ? 仿真結(jié)果及分析

在MATLAB中，分別對傳統(tǒng)擾動觀察法和變步長的擾動觀察法進(jìn)行了仿真對比分析。在保持25 ℃溫度不變，G為700、1 500、1 000、800 W/m2的情況下依次進(jìn)行跟蹤，當(dāng)光照強度變化時，得出的光伏系統(tǒng)輸出的功率曲線如圖6所示。

由圖6分析可知，傳統(tǒng)的擾動觀察法跟蹤速度較慢且穩(wěn)定性較差。但是采用改進(jìn)的擾動觀察法不斷改變跟蹤的步長后，跟蹤的速度比較快，且在功率最大點輸出的穩(wěn)定性也比較好。因此，變步長的擾動觀察法具有能更好地跟蹤最大功率點的優(yōu)點，從而提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。

4? ? 結(jié)語

本文通過建立數(shù)學(xué)模型，得出了光伏電池在不同的光照和溫度下的特性曲線;又對傳統(tǒng)的算法進(jìn)行了變步長的改進(jìn)，并進(jìn)行仿真分析，通過仿真結(jié)果可以得出改進(jìn)后的方法具有快速跟蹤最大功率點，并保持穩(wěn)定的優(yōu)勢。本文采用的這種方法為制定最大功率點跟蹤的實際控制策略奠定了良好的基礎(chǔ)，保證了系統(tǒng)以最大功率狀態(tài)輸出。

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[2] FEMIA N，PETRONE G，SPAGNUOLO G，et al.Optimization of perturb and observe maximum power point tracking method[J].IEEE Transactions on Power Electronics， 2005，20（4）：963-973.

[3] 郭明明，沈錦飛.基于改進(jìn)變步長電導(dǎo)增量法光伏陣列MPPT研究[J].電力電子技術(shù)，2011，45（7）：14-16.

[4] 張興，黃如，劉曉彥.微電子學(xué)概論[M].2版.北京：北京大學(xué)出版社，2005.

收稿日期：2020-07-29

作者簡介：洪曉燕（1975—），女，浙江嘉興人，高級工程師，研究方向：能源領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用技術(shù)、能源材料問題關(guān)鍵核心技術(shù)深化挖掘在智能電網(wǎng)與智慧用電中的實踐。