基于干扰观测法的电动汽车光伏电池MPPT控制算法的建模与仿真

迟晓妮，贾显通

(杭州职业技术学院青年汽车学院，浙江杭州 310018)

基于干扰观测法的电动汽车光伏电池MPPT控制算法的建模与仿真

迟晓妮，贾显通

(杭州职业技术学院青年汽车学院，浙江杭州 310018)

对于太阳能电动汽车而言，最为关键的是太阳能电池。最大功率点跟踪是提高光伏发电效率的关键技术之一，在学术研究以及工程应用中都具有重大的意义。利用MATLAB/Simulink仿真平台，使用SunPower公司的SPR-305-WHT光伏组件构建电池模型，对干扰观测法最大功率点跟踪方法进行仿真研究和分析，并对最大功率点跟踪方法的研究方向做了合理的展望。

光伏发电；干扰观测法；最大功率点跟踪

0　引言

随着环境污染及能源问题的日益严重，新能源汽车特别是太阳能电动汽车成为当前的研究热点。对于太阳能电动汽车而言，最为关键的是太阳能电池。太阳能电池高效率和低价格一直是光伏开发追求的目标，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)技术是提高光伏发电系统效率的关键技术之一[1]。实验表明光伏电池的输出受到环境温度、光照强度、空气质量、地理位置等多种情况的影响，输出具有很强的非线性的特征。利用MATLAB软件中光伏组件SunPower SPR-305-WHT)来模拟电动汽车光伏发电系统对最大功率点跟踪算法进行研究。

1　太阳能光伏电池的模型和电气特性

1.1太阳能电池模型

每个光伏电池单元的模型可以看作是一个恒电流源，然后并入一个正向的二极管。其等效简化电路模型如图1所示。

根据图1所示的光伏电池的等效电路模型，可以得到如下光伏电池的等效电路的电压、电流特性的数学模型[3]。

I=Iph-Id-Ish

(1)

流过二极管的电流Id可以由如下方程给出：

(2)

此外，太阳能光伏电池的漏电流Ish也可以由如下方程表示:

(3)

于是由如下方程组可以联立推导出新的方程组，具体表示如下：

(4)

该方程中各个参数定义如表1所示。

表1　光伏组件模型各参数

在理想情况下，即Rs接近于0、Rsh无穷大时，得到的简化等效电路(见图1)的数学模型为：

(5)

(6)

式中：UL为光伏电池输出端电压；P为光伏电池输出功率。

1.2太阳能光伏电池的输出特性曲线

使用的SunPower公司SPR-305-WHT光伏组件单个模型的各项参数如表2所示。

表2　SPR-305-WHT型号的光伏电池模组的各项参数

对单个光伏组件进行仿真，得到的仿真结果如图2所示。

从图2可看出：特性曲线右侧区域电压较高，此时的光伏电池可以近似看成一个恒电压源，具有明显的低内阻特性；而特性曲线左侧区域电压较低，此时的光伏电池可以近似看成一个恒电流源，具有明显的高内阻特性。由此，可以得出:对于输出功率相同的一个光伏电池，既可以作为电压源外接电压型负载，又可以作为电流源外接电流型负载；曲线的顶点处即为光伏电池的最大输出功率点，而在最大功率点的两侧，光伏电池的输出功率呈下降趋势。正是利用这个特性,作者利用各类方法实现光伏系统的最大功率点跟踪。

2　控制算法及仿真

2.1最大功率点的跟踪原理

太阳能电池板为非线性电源，其输出特性通常与光照、温度和负载R有关，在光照、温度一定的情况下，太阳能电池板可以设置输出不同的电压，当电压达到某一个特殊值时，输出功率最大。在光伏系统中，为了提高光伏系统的效率，需要实时调整光伏电池的工作点，即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。而实现最大点跟踪的方法就是通过不同的跟踪算法来完成。

2.2干扰观测法

先了解干扰观测法的基本原理。如图3所示，首先设定一个参考电压U0，此时可以得到输出功率为P0，然后等待一个设定好的时间间隔以后，增加或者减小电压使其变为U1，此时可以得到此刻的输出功率P1，如果P1>P0，表明电压的扰动方向为正方向，即说明此时的输出功率正在逐渐靠近最大功率点处，输出电压小于Umax，则下一步的扰动方向依然和上步相同；如果P1

根据上述原理，可以得到干扰观测法的控制流程图，如图4所示。

根据控制流程图，编写得到的控制程序如下：

function D= PandO(Param, Enabled, V, I)

% MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm.

% D output = Duty cycle of the boost converter (value between 0 and 1)

%

% Enabled input = 1 to enable the MPPT controller

% V input = PV array terminal voltage (V)

% I input = PV array current (A)

%

% Param input:

Dinit = Param(1);%Initial value for D output

Dmax = Param(2);%Maximum value for D.

Dmin = Param(3);%Minimum value for D

……………………………………………………….

2.3干扰观测法的仿真和分析

以环境温度和光照强度作为光伏系统外部参数变量，参数设置如图5所示。

此次仿真时间一共为3 s，从图5可以看出：t=0时，光照强度为1 000 W/m2，温度为25 ℃；t=0.6 s时，光照强度突变为250 W/m2，温度依然为25 ℃；t=1.2～1.7 s时间段内，光照强度由250 W/m2逐渐升为1 000 W/m2；t=2 s时，环境温度由25 ℃突变为75 ℃。此次仿真重点主要是观察t=0、t=0.6 s以及t=2 s时刻算法的控制效果，仿真结果如图6所示。

图6所示即为利用干扰观测法实现最大功率点跟踪的仿真结果，为了更加直白说明仿真效果，如图7所示，对图中3个特殊点进行详细分析。

图7(a)，t=0时刻，从仿真结果可以看出:功率从零增加到最大功率大约需要0.06 s的时间，跟踪速度较慢，而且跟踪过程中功率一直处于波动状态。

图7(b)，t=0.6 s时刻，从仿真结果可以看出:由于此刻光照强度突然降低，最大功率点经过一个较大波动后重新恢复到另一个平稳点，耗时大约为0.04 s，功率最大波动幅度大约为125 kW。

图7(c),t=2 s时刻，从仿真结果可以看出:由于此刻环境温度的突然升高，最大功率点处电压降低，从而导致功率降低。最大功率点经过一个波动后重新恢复到另一个平稳点，耗时大约为0.05 s，功率最大波动幅度大约为25 kW。

3　结论

利用干扰观测法对光伏系统实现最大功率点跟踪，并对跟踪结果做了分析，针对环境参数中变化较大的3个特殊点通过具体的数据进行了比较。从以上仿真结果可以看出：这种控制算法简单有效，能够实现在太阳能电动汽车上的应用，在一定程度上能够实现稳定供电。但其不足之处在于控制精度低，就算在某一扰动之后工作点到达最大功率点处，下一时刻的扰动就会偏离最大功率点，使得光伏电池输出功率只能在最大功率点附近，产生一定的功率损失。

为了克服该方法的缺点，在将来的研究中作者将在电动汽车电池研究中尝试采用变步长的干扰观测法，根据距离最大功率点的距离调节使用不同的步长，以求在动态响应速度和稳态精度上面都有一定的提高，使得太阳能电动汽车的动力性得到较大的提高。

【1】赵争鸣，陈剑.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

【2】杜慧,林永君,林永君.太阳能光伏电池输出特性分析与仿真研究[C]//2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集,2008.

【3】赵争鸣,刘建政,孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005.

【4】赵庆平，姜恩华，朱旋.基于MATLAB的光伏电池最大功率点跟踪研究[J].吉林师范大学学报，2013(5):26-27.

Modeling and Simulation of MPPT Controlled Method for Solar Electric Vehicle Based on Perturbation and Observation Method

CHI Xiaoni,JIA Xiantong

(Youngman Automotive Institute,Hangzhou Vocational and Technical College，Hangzhou Zhejiang 310018,China)

The most critical sect1 is the solar cell to the solar electric vehicles. And the maximum power point tracking (MPPT) technology is a key technology to improve the efficiency of photovoltaic power generation, which is of great significance in academic research and engineering applications. Using MATLAB-Simulink simulation platform and SunPower’s SPR-305-WHT PV model, a MPPT simulation model was built and analysis about MPPT based on perturbation and observotion method was done. Finally, a reasonable prospect to the research direction of MPPT method was given.

Photovetaic power generation; Matlab-Simulink; Maximum power point tracking

2015-05-20

浙江省教育厅科研项目(Y201430906)；浙江省大学生科技创新项目(2014R450009)；杭州职业学院2014年度校级教师企业经历工程；杭州职业学院项目(ky201427)

迟晓妮(1979—)，女，讲师，研究方向为新能源汽车和汽车电子技术。E-mail:chi_xiaoni@126.com。