基于扰动法的MPPT光伏系统研究

浙江工业职业技术学院 王坚锋

基于扰动法的MPPT光伏系统研究

浙江工业职业技术学院 王坚锋

对光伏电池模型进行分析，并根据光伏电池功率输出的特性，提出基于最大功率追踪法控制光伏系统必要性。设计了改进的扰动法，给出了系统的控制流程。对系统进行建模仿真，结果显示改进的扰动法MPPT光伏控制系统响应速度快，稳定性好，功耗低。

光伏系统；MPPT；扰动法

0 引言

目前，传统能源枯竭严重，发展太阳能等新型绿色能源是国家能源战略的方向。目前，对太阳能利用的办法，主要途径有光伏太阳能发电。太阳能的功率输出受到气象因数的影响非常大。太阳能的输出功率是随时变化的，追踪太阳能的最大功率输出，对太阳能进行有效利用意义重大。

MPPT算法主要有恒定电压法，扰动法和电导增量法等。恒定电压控制法控制相对简单，但是MPPT控制的精度比较低。电导增量法的控制效果好，但是控制比较复杂，控制系统实现难度大。相对而言，扰动法的控制思想成熟，实现方便，而且对系统的利用率较高，工程实用性强。本文提出一种基于改进扰动法的MPPT光伏系统实现方案，该方案能够较好的跟踪最大功率，并且跟踪速度快。

1 光伏模型建立

图1是光伏电池的物理模型。光伏电池的输出特性曲线随着温度和照度的改变而变化。光照产生的电流IL主要取决于光照强度的影响,不受外接负载大小影响,可以等效为电流源。电流在负载RL上产生U的压降，同时U通过二极管产生大小为Id的电流。用电阻Rs表示光伏电池内阻。由于电池边沿的漏电及制作金属电极时在电池的微裂纹、划痕等处形成金属桥漏电等，使一部分电流被短路，可通过并联等效电阻Rsh表示[1]。

图1 光伏电池的电路模型

其输出特征方程[2-3]：其中，I为电池输出电流；U为电池输出电压；IO为反向饱和电流。

通过太阳能光伏电池的物理模型及其等效物理特征方程，根据其电流电压间的相互关系可以获得U-I特征曲线。图2为太阳照度1000瓦每平方米，T为25摄氏度的I、P和U关系曲线。

图2 光伏电池U-I和U-P特性曲线

光伏电池的输出主要受到温度和光照强度两个因数的影响。图3和图4分别描述了光照强度对U-I和U-P曲线的影响，可以看出光照强度的变化不会引起U-I和U-P曲线形状的太对变化。

图3 光照强度对U-I曲线的影响

图4 光照强度对U-P曲线的影响

图5 和图6分别描述了温度对U-I和U-P曲线的影响，当温度升高时，U-I特性曲线左偏，相当于电压值减少；功率曲线也会发生左偏，并且最大功率点明显下降。

图5 温度对U-I曲线的影响

图6 温度对U-P曲线的影响

通过对光伏电池输出特性的分析可知，光照强度和环境温度对光伏电池的输出特性都会产生影响。通过U-P曲线可以看出，最大功率点在U的中间值部分，两头则功率都会相应的减少。所以为了输出功率最大化，必须使得输出电压在某一较大值区间，还要综合考虑电流的输出要在较大值。所以，光伏电池的最大功率输出是一个点，为了有效利用光伏电池的能源，必须对光伏系统采用最大功率点跟踪控制。

2 扰动观测法

扰动法通过给定一个扰动观察输出值变化，并且根据变化值来逐步逼近最优值，是工程上比较能够可靠实现的办法。开始的先对电流和电压进行采样，并且计算出功率和电压的变化量，判断如果功率变化量△P超过了设定步幅宽度Pth,则采用宽步幅VSTP2，否则采用正常步幅VSTP1，相当于，当功率变化量较大的时候，采用宽步幅，而当功率变化量较小时，采用正常步幅。通过增加一种步幅，改进扰动的较大的提高了逼近的速度，并且可以降低功耗。图 7为扰动法的计算机程序控制流程。

图7 扰动法改进后的控制流程图

3 建模仿真

设计光伏系统结构如图8所示。利用 Matlab/Simulink 建立仿真模型。仿真模型的参数：L=8mH，光伏整列输出端电容47μF（CPV），负载端电容1000μF（Cdc），负载为纯阻性负载 R=80， PI 控制的比例放大倍数为 P=4，脉宽调试频率f=5kHz，积分环节参数P=20。 仿真结果如图8，在图中1.5s时刻，对电压值进行突变，来观察扰动法的控制效果。扰动法经过改进后步长优化为 Vstp1=10mV 和 Vstp2=2mV。由仿真结果可以看出，通过改进的扰动法一定程度上能够增加寻优速度，功率波动较少，损耗也较少。

图8 光伏系统结构设计

图9 仿真结果

4 结论

本文对光伏系统建模进行了分析，并根据光伏系统的特点，阐述基于MPPT算法对光伏系统控制的必要性。设计了光伏系统结构，并采用改进的扰动法最大功率追踪控制算法进行控制。采用MATLAB进行系统仿真，结果显示改进的扰动法在追踪速率方面有所提高，系统功耗有所下降。

[1]吴春华．光伏发电系统逆变技术研究[D]．上海大学博士论文,2008．

[2]Villalva M G,Gazoli J R,Filho E R．Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays[J]．IEEE Transaction on Power Electronics,2009,24(5):1198-1208．

[3]黄跃杰．新型光伏发电系统的控制策略研究[D]．上海大学硕士学位论文,2005

[4]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．

王坚锋（1983—），男，浙江泰顺人，讲师，现供职于浙江工业职业技术学院电气工程分院。