基于限幅变压跟踪法光伏发电MPPT的研究

陈仁辉 胡治宇

（长春工业大学 电气与电子工程学院 吉林长春 130012）

基于限幅变压跟踪法光伏发电MPPT的研究

陈仁辉 胡治宇

（长春工业大学 电气与电子工程学院 吉林长春 130012）

对于光伏发电最大功率点跟踪一直是一个重要的研究方向，基于PSIM建立了恒压跟踪法光伏发电MPPT的仿真模型。通过仿真分析，恒压跟踪法不能有效的实现最大功率点跟踪，并在此基础上建立了变压跟踪法光伏发电MPPT的仿真模型；通过仿真验证，此方法具有更好的MPPT效果，并且控制方法简单易于实现，具有很高的工程实用性。

最大功率点 恒压跟踪法 限幅变压跟踪法

引言

太阳能光伏发电属于可再生清洁能源，随着不可再生能源的日益耗尽，太阳能光伏发电在未来必将成为世界能源的主要部分[1-3]。光伏发电系统存在着光伏组件转化效率低的问题，但随着科学技术的发展，光伏组件的转化效率也在不断的提高，如2014年德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所和法国Soitec公司合作研发的多结太阳能光伏电池片转化效率又创新的纪录，转化效率可达46%。在一定的转化效率下，如何使光伏电池得到充分的利用，即实现光伏发电系统的最大功率点跟踪（MPPT），一直是光伏发电系统的一个重要研究课题。对于光伏发电系统的最大功率点跟踪的实现，现有的的跟踪方法主要有：恒电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法、最有梯度法等[4-7]。每种方法都存在着一定的优缺点，本文主要基于变压跟踪法对光伏发电MPPT的研究。

1 最大功率点受外界因素影响

通过光伏电池的数学模型可知，光伏电池的输出特性和光伏电池工作的环境有关，包括光照强度、温度、湿度等[8]，负载的变化也会引起光伏电池输出特性的变化。光照强度和温度对光伏电池的输出特性影响很大，如图1所示。

通过光输出特性曲线可知，在一定的光照和温度条件下，光伏电池工作存在着一个最大功率输出点（电压和电流乘积最大点），在该点左侧，最大输出功率随电压的增大而增大，在该点的右侧，最大输出功率随电压的增大而减小，因此对光伏电池的输出功率而言，存在着一个最大输出功率时的工作电压。本文的研究是在不同的光照和温度条件下，对光伏电池最大功率输出时所对应的工作电压进行跟踪，从而实现光伏电池的最大功率点跟踪。

图1 不同环境条件下光伏电池I–V特性

2 恒压跟踪法

光伏电池的I–V特性曲线如图1所示，在一定的光照条件下，光伏电池最大功率点所对应的工作电压近似一恒定值，通过在不同光照条件下的给定电压Uref，使光伏电池输出电压跟随设定电压，从而实现最大功率点跟踪。如图2所示，基于PSIM在Boost电路中建立的恒电压跟踪法[9,10]实现光伏电池MPPT的仿真模型，仿真结果如图3所示。

图2 恒压法最大功率点跟踪仿真模型

恒电压跟踪法对光伏发电的功率电压跟踪曲线如图3所示，通过仿真结果可知，如果所选定的Uref不确切，则不能很好的实现对光伏发电的MPPT功能。

图3 仿真模型的动态输出特性

3 无限幅功能的变压跟踪法

基于恒电压跟踪法的缺点，在此建立了变压跟踪法，即Uref不是恒定值，而是实时最大功率点所对应的电压值，通过让光伏电池输出电压跟踪变化的“给定电压”Uref，从而实现最大功率点跟综。图4是基于PSIM建立的变压跟踪法实现光伏发电MPPT的仿真模型，通过一个可编程DLL可编程模块实现最大功率点电压的判断，进而控制光伏电池输出电压Uo跟踪变化的Uref，从而实现光伏电池的最大功率点跟踪，变压控制流程图如图5所示。

图4 变压法最大功率点跟踪仿真模型

选定∆U后，对模型进行仿真验证，仿真结果如图6所示。通过仿真结果可见，无限幅变压跟踪法能够在一定程度上实现光伏系统的MPPT功能，但当光照强度剧烈变化而与∆U的值不匹配，则会出现误判，有时甚至出现变化的Uref崩溃的现象,如图7所示。

图5 变压法控制流程图1

图6仿真模型的动态输出特性

图7 仿真模型的动态输出特性

4 限幅变压跟踪

针对无限幅功能的变压跟踪方法所存在的缺陷，对以上的方法进行了改进，采用了限幅功能，从而避免Uref崩溃的现象，限幅跟踪法的控制流程如图8所示。

按照限幅跟踪法的控制流程图完成程序的编写，仿真过程变化曲线及跟踪过程动态数据如图9、图10所示。通过仿真结果可见，在光照、温度都发生剧烈变化时，限幅变压跟踪法能够使光伏电池输出电压跟踪Uref，输出功率跟踪光伏电池的最大功率，并且跟踪过程中波动小，从而较好的实现对光光伏电池的MPPT功能。

图8 变压法控制流程图2

图9 仿真模型的动态输出特性

图10 仿真模型的动态输出数据

5 结语

首先是基于PSIM建模进行仿真研究，并已应用于光伏充电控制器中进行了验证，在光照强度和温度都发生剧烈变化时（如图9所示），限幅变压跟踪法能很好的实现光伏发电系统的MPPT功能。此方法比较简单，易于实现，在光伏发电系统中具有较高的工程实用性。

[1] 焦阳,宋强,刘文华.光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真[J].电网技术,2011,34(11):198-202.

[2] Chaure NB,Young J,Samantilleke p.Electro-deposition of P-i-N CulnSe2 Multi-layers for Photovoltaic Applications[J],Solar Energy Materials and Solar Cells,2004,81:125-133.

[3] 李春华,朱新坚.光伏/燃料电池联合发电系统的建模和性能分析[J].电网技术,2009,33(12):88-92.

[4] 蔡明想,姜希猛,谢巍.改进的电导增量法在光伏系统MPPT中的应用[J].电气传动,2011,41(7):21-24.

[5] 刘邦银,段善旭.基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪[J].电工技术学报,2009,24(6):91-94.

[6] 焦阳,宋强,刘文华.基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略[J].电力自动化设备,2010,30(12):92-96.

[7] 张晓燕,谢琳，季姜林.基于LSSVM光伏最大功率点跟踪算法研究[J].电力系统保护与控制，2013,41(21):46-51.

[8] Marcelo Gradella Villalva,Jonas afael Gazoli,and Ernesto Ruppert Filho.Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTR-ONICS,VOL.24,NO.5,MAY 2009:1198-1208.

[9] 赵争鸣,陈剑,孙晓瑛.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[J].北京:电子工业出版社,2012.

[10]Koutroulis E，Kalaitzakis K Voulgaris N C．Development of a Microcontroller Based，Photovoltaic Maximum PowerPointTrackingControlSystem[J]．IEEE Transactions on Power Electronics,2001,l6(1)：46-54.