光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究

崔振科 房晓

摘 要：文章以太阳能光伏发电系统为研究对象，以获取太阳能电池最大功率为目标，基于已知的太阳能最大功率跟踪算法，来构建仿真模型。首先根据太阳能电池的数学模型建立光伏电池模型，然后讨论使用扰动观察法实现最大功率跟踪，并依据该算法建立系统的MATLAB仿真模型，最后模拟在不同温度、光照下电池阵列的输出特性，验证了仿真模型的精确性。

关键词：太阳能；光伏系统；最大功率跟踪；MATLAB仿真

在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，太阳能作为新兴的可再生能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域限制等的优点，受到了一致青睐，正得到迅速的推广应用。在太阳能的各种应用中，光伏电池应用倍受关注。针对目前太阳能发电利用效率仍较低、供电稳定性较差的问题，文章将学习研究光伏电池最大功率点跟踪算法及实现，借用MATLAB的Simulink工具建立光伏电池的数学模型，就扰动观察法实现最大功率跟踪的方法进行介绍和仿真分析，研究影响最大功率点的主要参数，并分析研究它们之间相互的关系及曲线变化。

1 太阳能电池输出特性及模型分析

典型的太阳能电池的I-V方程为：

式（1）中IL为光电流；I0为反向饱和电流；q为电子电荷；K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；A为二极管因子；Rs为串联电阻；Rsh为并联电阻。

工程用太阳电池模型通常要求供应商提供几个重要技术参数，如Isc、Voc、Im、Vm、Pm。以下在基本解析表达式（1）的基础上，通过两点近似：（1）忽略（V+IRs）/Rsh项，这是因为在通常情况下该项远小于光电流；（2）设定IL=Isc，这是因为在通常情况下Rs远小于二极管正向导通电阻，开路状态下，I=0，V=Voc。按此，太阳能电池的I-V方程可简化为：

在最大功率点时， V=Vm，I =Im，可得

注意到开路状态下，当I=0时，V=Voc，并把式（3）代入式（2）得

由于exp（1/C1）>>1，忽略式中的-1项，解出C2

最后的太阳电池模型特性由（2）确定。

为了对光伏电池性能进行仿真，在MATLAB里选择用m文件编写，利用MATLAB提供的S函数接口，通过编写S函数来建立光伏电池的模型，它具有简单实用的特点，是建立光伏电池模型的不错选择。首先需要编写M文件，创建函数Ipv=fcn（S，Rs，T，Vpv）来求电流值I。

图1 光伏电池Simulink仿真模块及程序文件

2 扰动观察法实现最大功率跟踪

扰动观察法的实现原理是测量当前阵列输出功率，然后在原输出电压上增加一个小电压分量（或称之为扰动），其输出功率会相应发生改变，测量出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续原扰动方向。如果减小则改变原扰动方向。如果电压增加了，功率也增加了，或者电压减小了，功率也减小了，说明工作点位于最大功率点的左侧，下一步需要增加电压；如果电压增加了，而功率减小了，或者电压减小了，功率增加了，说明工作点位于最大功率点的右侧，需要减小电压。其最后的结果是工作点在最大功率点附近来回振荡。

定步长扰动观察法的实质是基于太阳能电池阵列输出功率的计算和采样电压和电流值计算的功率变化，比较前一个和当前的电压值来检测功率变化，计算出参考电压Vref用于产生PWM（脉宽调制）的控制信号。其中ΔV为占空比间隔，决定功率变化的步长。如果步长值较大，则系统响应快，但不准确；相反，如果步长值太小，则系统反应慢，但相对精确。通过对Vref的不断调整，最终可以搜索到最大功率点。

3 仿真实验与结果分析

根据以上定步长扰动观察法思想，通过成比例地增加或减少变换器的输入电压，移动操作点向最大功率点靠近，同时计算变换器所需要的占空比，然后基于占空比产生变换器所需的脉冲信号用以控制开关管的开通与关断。在MATLAB中，利用上面建立的光伏电池模型，在MATLAB中建立MPPT仿真环境。电压、电流检测装置检测出当前太阳电池工作点的电压电流值，计算功率相对电压的变化率，通过扰动观察法实现太阳能电池阵列的最大功率跟踪。

众所周知，温度和光强度是影响太阳能电池发电的两种主要因素。利用太阳能光伏电池发电，我们希望能获得最大功率输出的能量。实际上，随着外界环境的变化，就需要所建立的光伏电池膜性能快速的跟踪外界环境的变化，保持光伏系统的最大功率输出。基于此，图2给出了标准光强下，温度从25℃升高到30℃，然后从30℃缓慢降到20℃，光伏电池的电压、电流的仿真波形。

图2 温度变化时，光伏系统电压、电流变化曲线

从图2可以看出，当外界环境变化时光伏电池能快速的跟踪最大功率点且跟踪精度较高。另外，光伏电池的电压电流随温度变化的情况也严格符合上述光伏电池的输出特性。即当温度下降时，光伏系统的开路电压降低，短路电流上升，当温度升高时，光伏系统的开路电压上升，短路电流降低，并且温度对开路电压影响更加明显。

4 结束语

随着新能源在未来的广泛使用，光伏发电系统必然会发挥它重要的作用，作为系统的核心部件，最大功率跟踪部分仍有一些问题需要解决。光伏电池数学模型需要进一步完善，希望能把风速、湿度等小的影响因素加进去，使得数学模型更接近实际光伏电池特性；如何更高效的将光伏电池产生的电能输送，这需要对MPPT进行更深入的研究。

参考文献

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