光伏发电系统最大功率跟踪控制的研究

李坤

(曲阜师范大学工学院,山东 日照　276826)



光伏发电系统最大功率跟踪控制的研究

李坤

(曲阜师范大学工学院,山东 日照276826)

随着电力电子技术的进步，将光伏电池发出的直流电经过逆变并入电网的技术逐渐成熟。因为光伏电池的转化效能有限，所以，对光伏电池的最大功率点跟踪(MPPT)已成为研究的热点之一。以太阳能发电体系为主，对光伏电池的伏安特性、P-U特性详尽分析，并设计了MATLAB仿真，继而引出光伏发电系统的最大功率跟踪。选用扰动观察法进行MPPT控制，并设计了相应的MATLAB仿真。验证了设计的可行性。

光伏电池特性;太阳能发电体系;MPPT控制;MATLAB;扰动观察法

0　引　言

由于化石能源储量的减少，开发可再生能源被认为是缓解全球能源危机的最好方式。考虑到能源开发中的环境因素和开发潜力，太阳能，风能，核能等成为了各种能源中极具开发前景的新能源，因此这些能源将具有不可撼动的地位。由于可再生能源的分散性、随机性和多样性，分布式发电系统被认为是新能源的最佳网络结构[1]。同时，在这些新能源中最受瞩目的就应该属于太阳能发电，因此，太阳能光伏发电技术逐渐受到青睐。

1　光伏发电系统的结构

光伏发电系统通常由太阳能电池阵列、连接箱、功率调节器、并网变压器、并网断路器等构成[2]。其基本结构如图1所示。

图1　控制电路框图

由于光伏电池的特性受温度和光照度的影响，因此其特性的分析可以分别讨论。首先对标准条件(光照度：1 000 W/m2、电池温度：25 ℃)下光伏电池U-I特性进行了分析[3]，然后又分析标准条件下的P-U特性。

ΔT=T-Tref

(1)

ΔS=S/Sref-1

(2)

(3)

(4)

Im′=Im(1+ΔS)ln(1+aΔT)

(5)

Um′=Um(1-cΔT)ln(1+bΔS)

(6)

其中a=0.002 5 ℃，b=0.5，c=0.002 88 ℃。

图2　光伏电池的伏安特性和P-U特性仿真原理图

图2为光伏电池伏安特性和P-U特性的仿真原理图，其中需要创建函数[IL,P]=Solar(U，S，T)；功能是当外界环境变化时对输入光照度和温度进行修正。P1模块可以将Solar模块输出的功率传到MATLAB的工作空间以用于绘制波形。Saturation模块用于限制输入的幅度，其值设为30。图3～图4是依据图2所得仿真图，用于对光伏电池U-I、P-U特性的分析。

当温度和光照度为标准(S=1 000 W/m2，T=25 ℃)时光伏电池的伏安特性和P-U特性如图3和4所示。

图3　光伏电池的伏安特性曲

图4　不同光照强度下光伏电池伏安特性

图3表明光伏电池U-I特性为非线性，图4表明光伏电池P-U特性为峰值曲线，这两条曲线对于研究光伏系统MPPT控制意义重大。若假设温度不变，先考虑光伏电池的U-I特性受光照强度变化的影响，即分别考虑T为1 000 W/ m2、800 W/ m2、600 W/ m2、400 W/ m2情况下的伏安特性，此情况下的伏安特性如图4所示。

从图4可以看出，光伏电池的输出电流、电压均与光照度成正比，光伏电池的特性曲线在不同的光照度下是不同的[4]。空载电压Uoc即为光伏电池输出的U-I特性曲线与电压轴(横轴)的交点 ，短路电流Isc即与电流轴(纵轴)的交点。从U-I特性曲线可以看出，光伏电池是一种非线性直流电源，既不是恒流源，也不是恒压源。图4中A、B、C、D即为光伏电池的工作点，这四点是负载特性曲线与光伏电池的U-I特性曲线的交点。如果让光伏电池工作点移至U-I特性曲线上的A′，B′，C′，D′点，使得在此点处电流值Im，电压值Um所围成矩形的面积最大(功率最大)，就认为此点为光伏阵列的最佳输出功率点或最大输出功率点[5]。

2　功率调节器中Boost电路的设计

DC/DC变流器的工作电路原理图如图5所示。

图5　负载可以发生突变的逆变电路

此中PWM控制电路能够控制IGBT的开通以及关断。光伏阵列输出的直流电压通过DC/DC变流器被升压，输出的直流电压作为逆变器的输入电压。DC/DC变流器主要由电抗器、二极管、IGBT等开关元件组成，因为要进行MPPT控制，使其从太阳能电池所获取的电力最大，所以其输入的电压要通过PWM控制被控制为最佳电压。通过比较调制波和载波(通常使用三角波)，当调制波大于载波时时IGBT处于ON状态，当调制波小于载波时时IGBT处于OFF状态。

3　MPPT控制的MATLAB仿真设计

本文利用扰动观察法对系统进行MPPT控制，这种方式比较易操作且编程较简单，仿真比较容易实现。系统的MPPT仿真如图6所示，是在标准光照度和温度(S=1 000 W/m2、T=25)下进行的仿真，电感L=0.005 H、C=300 μF、R=19 Ω。

图6　光伏发电系统MPPT控制的MATLAB仿真图

整个仿真电路是在Boost电路的基础上搭建的，将MPPT输出的参考电压Uref与三角波电压进行比较，产生理想PWM波形(即理想的占空比)以控制全控器件的通断，图中Con-Current source模块是受控源，此模块受光伏电池输出电流的控制，相当于电池等效电路中的直流电流源。太阳能电池的输出电流、输出电压以及输出的功率均送示波器显示。其中PWM波产生模块的MATLAB仿真图如图7所示。

图7　PWM波形的MATLAB仿真图

此中三角载波频率设为2 kHz，采样时长为0.1 s，开关模块(Switch)的功能是若输入量大于零，输出值是1，否则输出是0，其输出是幅值为1的PWM波形，将此PWM波形送入IGBT的门极以控制其导通关断，以实现DC/DC变换电路的输入电阻与电源内阻的动态匹配。

使用扰动观察法，光伏阵列的电流在MPPT控制下的输出波形如图8所示。

图8　光伏电池的输出电压和电流

从图8中可以看出，光伏电池在经过大约0.025 s后达到稳定状态，电流基本稳定在7.6 A左右，电压基本稳定在26 V左右，与所选KD180GH-2P型多晶硅太阳电池在标准条件下最大功率点的电流Im(7.63 A)和电压Um(23.6 V)均非常接近，同时也表明在跟踪速率上扰动观察法还是比较快的，对光伏电池控制能力较强。但光伏电池输出电流和电压在达到稳定状态后会有小幅度波动，这也和扰动观察法的特征相符，即在最大功率点邻近波动将会导致少量功率损失。

光伏电池的输出功率如图9所示。

图9　光伏电池的输出功率

从图9中可以看出，光伏电池在经过大约0.02 s后达到稳定状态，功率基本稳定在175 W左右，与所选KD180GH-2P型多晶硅太阳电池在标准条件下最大功率点的功率Pm(180 W)基本相等。

升压斩波电路的输出电压波形如图10所示。

图10　升压电路经MPPT控制后输出的电压

下面是光伏电池在受到波动后的再一次达到稳定状态的曲线图，扰动的产生在仿真图中是借助阶跃函数来实现的，输出的曲线如图11和图12所示。

图11　光伏电池输出的电压和电流

图12　光伏电池输出的功率

从图11和12中可以看出，在t=0.05 s时系统受到一定扰动(光照度由1 000 W/m2降到800 W/m2)，在经过大约不到0.02 s之后系统会重新达到新的稳定状态，这表明了扰动观察法的可行性，使用这种方法的系统在受到干扰后可以很快的达到新的稳定输出状态。

4　结束语

本次设计以光伏发电为主，主要讨论了光伏发电的基本原理与构造，针对光伏电池的U-I特性和P-U特性进行了深入剖析以及MATLAB仿真，并由此引出了光伏电池的MPPT控制。同时对多种MPPT控制的方法进行了分析，本文对MPPT进行了仿真分析，利用的是扰动观察法。主要通过仿真研究了方法的实用性。

[1] 张冬洁，王志远，刘胜利. 太阳能在我国的应用及发展前景[J].洛阳工学院学报，2001,22(4):35-37.

[2] 李洋.光伏微型逆变器的研究[J].电子技术，2014,52(10):12-15.

[3] 曹承栋.浅谈国内外太阳能发电技术发展状况及展望[J].华北电力大学电气工程学院，2001,28(1):36-37.

[4] 王立乔 孙孝峰.分布式发电系统中的光伏发电技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 黄忠霖 黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社，2009.

A Study on MPPT Control in the Photovoltaic System

LI Kun

(School of Engineering, Qufu Normal University Rizhao Shangdong 276826, China)

With the improvement of power electronic technology, the technology for accessing DC power generated by PV cells to the power grid after inversion is getting more and more mature. Because of limited conversion efficiency of photovoltaic cells, the maximum power point tracking (MPPT) of photovoltaic cells has become one of research hotspots. In this paper, mainly in the field of solar power generation system, a detailed analysis is made of the volt-ampere characteristic and P-U character of the photovoltaic cell, MATLAB simulation is presented, and the maximum power point tracking of the photovoltaic power generation system is introduced. In this paper, MPPT control is made in the perturbation and observation method, and corresponding MATLAB simulation is designed. Design feasibility is verified.

characteristics of photovoltaic cells; solar power generation system; MPPT control; MATLAB; perturbation and observation method

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.013

TM911

A

1000-3886(2016)01-0039-03

李坤(1965-)，男，山东泗水人，曲阜师范大学工学院，副高级工程师，主要从事工业自动化系统研发应用。

定稿日期: 2015-05-18