基于MATLAB 的光伏并网最大功率跟踪控制技术研究

张晓霞

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741000）

0 引 言

在利用分布式光伏能源时，首先要做的是通过光伏组件来将光能源转换为电能；其次为了达到并网要求，对电能进行转换，然后并入电网。为了最大限度的利用光伏能源，需要最大功率跟踪（MPPT）环节[1]。图1 为较早的双极式光伏并网系统。

图1 传统双极式光伏并网系统结构

在此系统中共有两个能量转换环节，DC/DC 和DC/AC。前面直流侧DC/DC 变换主要起光伏电池MPPT的作用，后面DC/AC 逆变电路完成直流电向交流电的转换。

1 最大功率跟踪控制

1.1 MPPT 简述

在图2 中，光伏输出曲线是单峰形P-V曲线，曲线中Pmpp为单一最大值点。当温度与光强度为定值时，输出电压达到某一指定值时，光伏电池的输出功率就达到极大值，这个点称为最大功率点（MPP），也是输出电压和电流的最优结合点。一般MPPT 在光伏发电系统中扮演着重要的角色，其控制方式对光伏电池的输出效率有直接影响[2]。

1.2 MPPT 原理

一个基本的光伏MPPT 系统由光伏组件和一个可变负载构成，如图3 所示。

在图3 中，光伏组件直接连接到可变负荷，因此光伏组件的输出电压（Vpv）和输出电流（Ipv）分别与可变负荷的电压（Vload）和电流（Iload）相等。通常情况下，当可变负荷（Rload）的阻值发生变化时，光伏组件的等效电阻Rpv也会发生变化。当Rload达到理想值时，工作点将移到最大功率点，以满足光伏组件的最大发电效率。但在实际应用中，Rload通常是一段时间内的不可变值，直接调整负荷阻值是不可行的，为此可以接入一个DC/DC 变流器在光伏组件与负载之间，如图4 所示。

图2 光伏输出P-V 曲线

图3 光伏MPPT 系统

图4 接入DC/DC 的MPPT 系统

其中，DC/DC 的占空比为d。为方便计算，设电压变换比为M（d），则DC/DC 变换器输入输出电压关系表示如下：

通常，在实际运行过程中，对DC/DC 变换器的转换效率η也应该考虑，则有：

其中，Rin为等效输入电阻，Rout为等效输出电阻。

在光伏系统中，有Rpv=Rin和Rload=Rout，则式（2）可化为：

根据式（3），即使Rload是一个不变的值，只要DC/DC 的占空比d改变，仍可将工作点调解至最大功率点（MPP），如图5 所示。

图5 最大功率跟踪原理图

2 Boost 升压电路

在光伏并网发电系统中，通过DC/DC 来调节光伏MPPT 的占空比d。DC/DC 电路的作用是输出电压幅值恒定或电压幅值可控的直流电。本文中光伏系统的MPPT 通过Boost 电路来实现，Boost 电路的结构及原理简单、易与实现。

Boost 升压电路如图6 所示。

图6 Boost 升压电路

当开关管S 导通时，对电感L 充电，充电电流iL逐渐变大，电容C 为负荷提供工作电能；当开关管S关断时，负荷所消耗的电能是由电源和电感L 上的电压叠加提供的；当Boost 电路状态稳定时[3-4]，其平均输出电压表示为：

其中，ton、toff为开关管导通、关断时间；T为开关周期；D为导通占空比（0 ＜D＜ 1）；E和Vo分别为输入、输出电压[5]。电感电流连续的临界条件为：

图6 中，电路的输出电流I0、占空比D、滤波电容C和开关频率fs等因素共同决定输出纹波电压ΔVO的值，用公式（6）表示为：

3 MPPT 控制方法

常用的最大功率跟踪方法有如下3 种：恒压跟踪法、电导增量法、扰动观察法。其中指数变步长扰动观察法具有结构更简单，测量参数少、便于实现等特点，在工程中应用广泛的。

在扰动观察法中，扰动步长选取是否合理直接影响整个系统的跟踪精度和跟踪速度，本文中最大功率的跟踪选用变步长的方法来实现。在初始时刻，扰动步长取的较大，当接近最大功率点时，由于步长较大，直流端电压波动较大，此时，只能迅速减小扰动步长值，以减小直流端电压波动，使输出功率稳定在一个固定值。在传统的定步长扰动观察法中，电压增量ΔU为常数，即Uref=Uref+ΔU，在定步长扰动观察法的基础上引入了一个步长变化因子a，并且a与最大功率点距离成反比例关系。当远离MPP 时a的取值越大，则ΔUk=aΔU，反之则a的取值越小；当a的取值在（0，1）时，步长ΔU就不再是一个常数值，而是一个随着跟踪状态变化的量，应用此变量可保证最大功率追踪的跟踪精度和速率[3]。

MPPT 变步长如图7 所示。在远离MPP 时，步长取值较大，ΔP的增量也变大；在靠近MPP 时，要使步长变化到较小的区间内可以通过控制步长变化因子a实现，ΔP的增量也较小。通过ΔP的变化来实现对a值大小的实时调整。变步长扰动观察法的控制流程如图8 所示。

图7 MPPT 步长变化示意图

图8 变步长MPPT 流程图

4 MPPT 仿真分析

采用Matlab/Simulink建立的仿真模型的仿真波形，如图9 所示。

由仿真结果看出，在图（a）和图（b）中光照强度和环境温度均发生变化；图（c）和图（d）表示光伏系统输出的有功功率和输出电压波形，仿真波形表明，当光照变化时，所采用的MPPT 控制方法具有良好的追踪速率和较小的电压纹波，控制效果良好。

图9 MPPT 仿真波形图

5 结 论

最大功率点追踪一直是光伏发电技术的重点研究方向，本文提出来的基于变步长的扰动观察法，经仿真证明该方法能更稳定、准确地达到最大功率点，提高了控制精度。