光伏发电输出功率跟踪与控制系统设计

徐潇然

摘 要：针对光伏发电输出功率受光辐照度、环境温度等外部条件变化影响的问题，设计了光伏电池输出功率跟踪与控制系统。首先建立光伏电池的等效电路模型，基于此，分析光伏电池的功率输出特性，然后设计光伏电池输出功率的跟踪与控制方法，最后通过仿真验证光伏电池功率跟踪与控制方法的正确性与有效性。

关键词：光伏发电;功率特性;功率跟踪;功率控制

中图分类号：TM61   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）2-0031-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.02.007

Design of Power Tracking and Control System for Photovoltaic Power Generation

XU Xiaoran

（School of Nursing and Health， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001，China）

Abstract：Aiming at the problem that the output power of photovoltaic power generation is affected by changes in external conditions such as light irradiance and ambient temperature， the author designs a photovoltaic cell output power tracking and control system. First， establish the equivalent circuit model of the photovoltaic cell. Based on this， analyze the power output characteristics of the photovoltaic cell， then design the tracking and control method of the photovoltaic cell output power， and finally verify the correctness and effectiveness of the photovoltaic cell power tracking and control method through simulation .

Keywords： photovoltaic generation; power characteristics; power tracking; power control

0 引言

近年來，随着煤、石油、天然气等传统化石能源的日益紧张和环境问题的逐渐突出，国内外企业界与研究人员对太阳能、风能、潮汐能等可再生能源越来越关注，这成为解决未来电力与能源问题的重要发展方向与手段[1-2]。但是，太阳能受环境自然条件的影响，并不能持续地输出稳定的电能。太阳能输出的功率与光辐射强度、环境温度等自然因素直接相关，这些环境参数将会对光伏发电的输出功率产生影响[3]。因此，十分有必要在光伏发电设备中对太阳能输出功率进行跟踪，并将太阳能输出的功率维持在最大输出点，从而使系统尽可能多地产生电能，提高光伏发电的工作效率。

近年来，国内外的专家、学者在光伏发电的功率跟踪与控制方面进行了大量的研究，并且取得了一系列成果。其中，主要包括电导增量法[4-5]，以及基于神经网络[6-7]、模糊控制[7-8]、粒子群优化[9-10]等的智能控制方法。这些方法中，扰动观察法最为简单易行，便于硬件的实现，在工程实践中得到了工程技术人员较多的关注，但是这种方法存在功率振荡的问题。基于智能控制方法的光伏发电功率跟踪与控制方法，可以充分考虑环境变量的影响，并且易于对光伏输出功率进行准确控制，但这些方法存在运算量较大、不利于控制系统的实现等问题。

因此，笔者首先建立光伏发电系统中光伏电池的等效电路模型，然后结合光辐照强度、环境温度等光伏电池的关键外部环境变量，分析光伏发电系统的功率输出特性。基于此，设计光伏功率跟踪与控制系统。最后，在MATLAB/SIMULINK环境下，通过仿真验证设计的光伏功率跟踪与控制方法的正确性以及可行性。

1 光伏电池模型与输出特性

光伏电池通过光伏特效应可以将太阳能转化为电能，是整个光伏发电系统中产生电能的关键元件。然而，光伏电池的自然特性使其并不能像常用的蓄能设备（如蓄电池、燃料电池）那样，首先将太阳光所蕴含的自然能量储存起来，然后根据需要再把相应的能量释放出去。光伏电池只能根据光伏特效应将太阳光实时地变换为电能，通过电能转换设备与输电线路传输出去或直接供给本地负载消耗。

根据光伏电池内部工作原理与特性，可以得到其等效模型，如图1所示，图1描述了光伏发电系统中光伏电池的等效电路模型。图1中，虚线框代表光伏电池的内部电路模型。在太阳光的照射下，光伏电池的光生电流可以等效为一个电流源，光生电流用Iph表示;DI为光伏电池内部等效的二极管，流过等效二极管的电流用ID表示;RP为光伏电池内部等效的旁漏电阻，也可以称为并联电阻，流过并联电阻的电流用Ip表示，也可以称为光伏电池等效电路模型的旁漏电流或并联电流;RS为光伏电池的内部等效串联电阻;RL为光伏发电系统后级电能变换部分等效而来的负载，忽略光伏发电系统电能设备自身的功率损耗等因素，并假定发电系统功率变换单元用到的器件均为立项元件，那么就可以认为负载电流与光伏电池输出电流相等，在此用IC表示;VC表示光伏电池的输出电压。

根据图1光伏电池的等效模型，可以得到光伏电池的输出电流IC、温度电压VT分别表示为

[IC=Iph-IDexpVC+ICRSmVT-1-VC+ICRSRPVT=kTe]

（1）

式（1）中，m为二极管因数;k为玻尔兹曼常数;e为单位电荷。

由公式（1）光伏电池的输出电流和电压，即可绘制出在不同光辐照强度下的光伏电池功率输出曲线，以及在不同环境温度参数下的光伏电池功率输出曲线，分别如图2和图3所示。

图2中假定光伏电池所处的自然环境温度是恒定的，由图2可以看出，光辐照强度越大，光伏电池的输出功率越大，并且随着光伏电池开路电压的增大，光伏电池输出的功率呈现先增大后减小的趋势，并且在功率曲线的某一点达到峰值，该峰值点是唯一的。

图3中假定光伏电池收到的光辐照强度维持恒定，由图3可以看出，在功率曲线的右侧区域，温度越低，光伏电池输出的功率越大，并且随着光伏电池开路电压的增大，其输出的功率仍然呈现先增大后减小的趋势，其峰值电压在特定的条件下是固定的，并且也是唯一的。

2 光伏输出功率的跟踪与控制

通过光伏发电系统中光伏电池的等效电路模型，以及不同光辐照度、环境温度条件下的光伏电池输出功率规律可知，在不同的环境条件下，为了使光伏电池尽可能多地输出功率，需要将光伏电池的输出电压控制在一个合适的范围内，进而实现光伏电池输出功率的跟踪，并且将其控制在一个较大功率值的范围内。

图4研究的光伏发电系统中光伏电池输出功率的跟踪控制策略示意图。当光伏电池处于不同的环境温度以及光辐照条件下时，该控制策略可以自动搜寻出来一个合适的光伏电池开路电压，从而使光伏发电系统能够尽可能多地输出功率，提供给本地负载使用或者通过后级变换电路与输电线路传输出去。

光伏电池输出功率的跟踪与控制算法的具体工作过程如下。首先，光伏发电系统的采样单元实时检测光伏电池的输出电压和输出电流，并且计算当前光伏电池所产生的实际功率。然后，将当前时刻所计算出的功率与上一时刻计算出的暂存的功率值进行比较。如果当前时刻计算的功率值大于上一时刻暂存的功率值，则需要判断当前时刻检测到的光伏电池输出电压与上一时刻暂存的光伏电池输出电压的大小。如果当前时刻检测到的光伏电池输出电压大于上一时刻暂存的光伏电池输出电压，那么就说明当前光伏电池输出的功率分布在其功率输出曲线的上升区域，这时就需要进一步增大光伏电池的开路电压;如果当前时刻检测到的光伏电池输出电压小于上一时刻暂存的光伏电池输出电压，那么这时就需要减小输出电压的参考设定值。如果当前时刻计算所得到的光伏电池输出功率与上一时刻暂存的光伏电池输出功率相比较小，并且当前时刻所检测到的光伏电池输出电压大于上一时刻暂存的光伏电池输出电压，那么此时也需要对当前的光伏电池输出电压参考设定值进行减运算处理;反之，如果当前时刻检测到的光伏电池输出电压小于上一时刻暂存的光伏电池输出电压，那么就需要对当前时刻的光伏电池输出电压的参考设定值进行加运算处理。通过以上过程，进行反复计算、比较、判断处理，就可以搜寻到光伏电池输出功率的最佳工作点，即光伏电池的最大输出功率点。此时，从源头上来说，光伏发电系统的输入前端可以在相同的光辐照度、环境温度等自然条件下产生尽量多的能量供光伏发电系统的后级环节进行电能变换，然后由光伏发电系统提供给本地负载消耗或者通过输电线路进行传输。

3 仿真分析

为了验证所设计的光伏发电系统输出功率的跟踪与控制策略的正确性以及其在实际工作的效果，在MATLAB/SIMULINK的仿真环境下，搭建了光伏发电系统的仿真模型。在仿真模型中，设定光伏电池工作的环境温度为25 °C，并假定其维持恒定不变，在0～0.1 s时间段内假定光辐照强度为600 W/m2，然后光辐照强度突变为1 000 W/m2。

基于设计的光伏发电系统输出功率跟踪与控制方法，进行仿真研究，得到的光伏发电系统输出电流、输出电压以及输出功率的跟踪与控制仿真结果如图5所示。由图5可以看出，随着光辐照强度的变化，光伏电池的输出电流、输出电压、输出功率可以得到准确的跟踪与控制，使得光伏电池能够最大可能地产生电能，以最大功率向负载输出功率或通过线路传输。

4 结语

笔者以光伏发电系统为研究对象，针对光伏发电系统的光辐照强度、环境温度等变化条件下的光伏电池输出功率跟踪与控制问题进行了研究。首先建立了光伏电池的等效电路数学模型，然后分析了光伏电池在不同光辐照强度、环境温度等外部自然条件下的功率输出特性，并且设计了光伏电池输出功率的跟踪与控制系统，最后结合本研究内容搭建了光伏发电系统的仿真模型。仿真结果验证了所设计的光伏电池功率跟踪与控制方法的有效性与合理性。结果表明，所设计的光伏发电系统输出功率跟踪与控制方法可以快速准确地跟踪光伏电池产生的功率，进而提高光伏发电系统的工作效率，并且以最大功率为本地负载提供电能或通过后级的输电线路进行功率传输。

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