基于电导增量法的光伏发电MPPT分析

林婷婷 樊森

摘 要：综合开发研究太阳能作为现在科研焦点。在所有的新型开发应用方法里面，对光伏发电的关注研究设计得到了很多研究家的关注，发展很快。本论文研究前面分析了光伏发电系统的基本组成。然后研究MPPT（最大功率点跟踪）方法。它对提高太阳能电池的利用率有很大的意义，能够让光伏电池阵列及时适应外部条件的变化，始终工作在最大功率输出点。最后分析了MPPT方法中常用的电导增量法并分别在Simulink内用模块构建的光伏电池模型和用S函数构建的光伏电池模型上应用电导增量法进行最大功率跟踪控制，来验证电导增量法的可行性和适用性。

关键词：光伏发电；MPPT；电导增量法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.13.065

1 引言

进入21世纪以来，社会发展很快，各种科技发展很迅速，地球上有限的资源，每天都在不断减少，这个时候如果我们人类不再寻求新的能源道路，我们将面临一系列环境污染带来的问题，所以可持续发展就成了这个社会发展的重要任务。对新能源的开发是可持续发展的重要方向。

太阳能发电是将太阳光能直接转化成电能的发电方式，包括光伏发电，光热发电，光化学发电，光感应发电等，其中光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式，光伏发电系统是由光伏阵列，电缆，电力电子变换器，储能元件，负载等构成的发电与电能变换系统。有些大型光伏发电系统还有防雷保护装置和计量装置。光伏的电池板所产生的电传输中先经过系统的电缆传输到控制器中对它进行采集、转换等，部分剩余的电能再送到储能元件中，通过这个过程最终生成为用户端或负载所能使用的能量。

众多的光伏电池串在一起就是光伏电池阵列，它们通过并列组合在一起。太阳光通过光伏电池的阵列接收然后成为电能。如图1所示。

光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）、能源管理还有控制逆变器的输出控制组合为控制系统。随着环境的变化，比如系统所处的环境温度或光照强度改变了，就会影响光伏电池最大输出功率的I和U，对最大功率点跟踪我们通过控制器使用控制算法对系统的操作点进行调整，来发掘光伏电池发电的隐藏能量。不管外部环境如何变化，总是自动跟踪相应的最大输出点。

太阳光发电系统负载特性的一个光生伏打电池的特性是开始-停止，较大的负荷容量受到光伏系统输出较大的冲击，使其产生较大的波动，严重的情况下还会引起如电机负载不能启动。光伏最大功率输出加载我们可以通过调整实现。在该系统中负荷特性占据核心地位。我们一般使用转换器的光伏阵列因为安全，在光伏阵列输出上我们可以把工程负载接上去。

2 常用光伏阵列最大功率点跟踪控制技术研究

光伏阵列的输出特性是非线性的，而且它的输出受很多其他条件的影响，比如温度，连接负载的情况和太阳强度等等。如果希望最大程度的利用太阳能进行发电的话，需要始终跟踪在MPP点，就需要控制器对光伏电池板及时随时的控制其工作点，这一过程称之为最大功率点跟踪（maximum power point tracking简称MPPT），使其不管外界环境怎样变化，始终自动跟随MPP。这样主要的目的是，使光伏阵列在不同的条件下，都能够工作在输出最佳的状态，最大程度的利用太阳能进行发电。

恒定电压控制法虽然响应快速稳定，但是并不是真正的最大功率输出。此外，CVT方法一般采用模拟电路实现，功能较差，未能充分利用DSP处理器强大的运算处理能力。随着数字信号处理技术和微控制器的在太阳能发电中应用的快速发展，CVT已经基本被时代淘汰，很少使用了。

扰动观测法是一种自动寻优的MPPT控制方法，是研究最为广泛的算法之一，也称爬山法或登山法。扰动观察法是一种模块化的控制回路，属于简单的控制方法，跟踪起来方法比较简单，相对容易完成实现，对所用的传感器采集的参数的精度要求不是很高，不过最终控制的效果会可能出现一些周期的震荡扰动，还有如果在确定了扰动的方向之后，如果想影响改变输出电压就必须在后面一个扰动周期到来的时候才能改变，这就造成了一个结果就是在光伏电池的最大功率点的跟踪时候就会出现一系列扰动，就会有浪費一部分的光能和功率。而且当环境条件变化剧烈时有可能导致MPPT失败。

电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬时电导来改变控制信号。这个方法也是需要用相关的一些传感器来采集光伏阵列的I和U的。这个方法最好的一个优点就是，在外部条件发生剧烈变化的时候，系统还是能够很好的跟踪到变化的趋势方向，所以，电导增量法的控制精确度相对来说很好，跟踪变化的速度比较快，能够满足变化迅速的环境。当然电导增量法也有缺点，该方法对硬件的需求来说比较的高，计算量相对来说是比较大。

除了以上说的这几种基本的MPPT法以外，同时还研究有更多种算法能够实现光伏发电MPPT包括模糊逻辑控制法，神经网络法，负载电流（或电压）最大化方法，基于状态的MPPT法，dP/dU（或dP/dI）反馈控制法，最优梯度法等。

3 光伏阵列最大功率控制跟踪控制仿真

尽管现在研究出了很多先进的MPPT算法但是扰动观察法和电导增量法仍是实现MPPT最常用的方法。其中电导增量法在环境条件发生一些变换，有扰动时，相比于扰动观察法来说，能以平稳的方式跟踪光伏阵列输出功率的改变，基本能够减少震荡扰动对系统控制的影响，功率的损耗大大减少很多，对于环境变化比较激烈的地方比较实用。因为它对于MPPT的控制效果要比较好，像扰动观察法因为扰动生成的MPP的改变，它基本就能够克服。因此本章主要研究对用电导增量法的控制器的仿真。

采用MATLAB/Simulink进行控制器的设计，可以通过Simulink内建模块搭建实现，也可用S函数实现。

在本系统的控制器设计中，以光伏阵列的电压，电流作为S函数的输入，以开关的导通占空比D为其输出。对开关导通占空比D的控制可实现调节光伏阵列输出平均功率。

利用光伏电池模型建立的MPPT之电导增量法仿真模型为：

当然也可以用S函数来构建光伏电池的仿真模型。下文介绍的是用电导增量法跟踪控制用S函数来构建光伏电池的仿真模型的最大功率点，用以验证电导增量法对最大功率点跟踪的特性。

利用S函数构建的光伏电池仿真模型建立的MPPT电之导增量法仿真模型为：

电导增量法基本可以准确的跟踪光伏电池的最大功率点。在光照强度发生变化时，能以平稳的方式跟踪光伏阵列输出功率的改变，基本能够减少震荡扰动对系统控制的影响，功率的损耗大大减少很多。但是对于环境温度发生变化时电导增量法在跟踪最大功率点是出现了短暂的扰动现象，但是用两种光伏电池仿真出来的结果都是一样的，所以是控制器的问题，对于电导增量法来说，计算量相对来说是比较大的，计算过程中要一直重复微分计算，对控制器要求要高一点，尤其是运算的速度，还有就是传感器的采集数据精度同样需要很高，不然的话，最后的控制结果就会达不到最初的要求，结果就会出现一些震荡、扰动等。所以当温度改变出现的短暂的扰动应该是控制器没有达到高速运算的要求。但是在温度改变时出现的扰动很短暂没有影响控制器对最大功率点的跟踪，从整体上来看，电导增量法对最大功率点的跟踪准确，响应速度比较迅速。所以可以得出结论，用电导增量法对光伏电池阵列进行最大功率点跟踪效果比较理想，基本上可以消除在最大功率点附近的扰动和振荡现象，在环境条件发生变化时对最大功率点的跟踪还是比较迅速的，适用于环境变化比较快的场合。

4 结论

本论文主要的内容是对性能较好，应用广泛的电导增量法进行分析仿真，通过对在Simulink内建模块搭建的光伏电池和用S函数描述的光伏电池分别分析仿真。但是还存在一些缺点，在温度发生改变时，电导增量法跟踪最大功率点时，出现了短暂的扰动现象，但从整体来看仿真结果基本正确，达到了预期的效果。

参考文献：

[1]叶列杰甫.光伏发电MPPT控制技术研究[D].兰州交通大学，2017.

[2]吴章玮.基于MPPT的三相光伏并网发电系统的研究[D].安徽理工大学，2017.