太阳能光伏并网发电中最大功率点追踪的仿真研究*

李宏俊 ， 刘 薇 ， 胡开明

（1.东华理工大学长江学院，江西 抚州 344000；2.东华理工大学江西省新能源工艺与装备工程技术研究中心，江西 南昌 330013）

随着经济的高速发展，化石能源紧缺和环境问题越来越严重，过度使用化石能源造成了全球的能源危机，也影响了人类赖以生存的环境[1]。由于化石能源愈发匮乏的情况开始显现，人们对可再生能源青睐有加。因此，逐渐开始将目光转向可再生能源，众所周知，太阳能是一种干净环保的可再生能源。采用太阳能发电具有没有污染和噪声、环保、规模可控、维护方便以及安全可靠等优点[2]。其中更重要的一点是太阳能资源的储量丰富，因此世界各国都将焦点聚集于此。光伏发电是将太阳能资源充分利用的有效途径之一，但是光伏电池板转换率太低[3]，为了提高整个光伏系统的转换率，就需要提高光伏电池的转换率，这就体现出最大功率点跟踪技术在光伏系统中的重要意义。基于此，本文针对光伏并网发电系统中的最大功率点跟踪技术展开MATLAB仿真分析，以便提高太阳能电池的转化率。

1 太阳能光伏特性及并网结构

1.1 光伏电池特性

光伏电池工作原理是基于半导体PN结的光生伏特效应。当光照到半导体上时，半导体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应[4]。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫作光生电压。一些特殊材质受到光照后会发生光效应，光效应可以将太阳能转化成其他形式的能量。图1为光伏电池的电路等效原理图。

图1 光伏电池等效原理图

由图1可得光伏电池的数学模型为：

式（1）中，I为光伏电池的输出电流（A），Iph为暗生电流（A），Id为光生电流（A），Ish为光伏电池等效串联电阻的电流（A）。

其中，

从图1来看，可把光伏电池模型等效看作一个二极管，当光照强度或温度不变时，Iph也不发生变化，所以便可看成一个电流源。Rs是串联等效电阻，Rsh为旁路电阻，与电池的泄漏电流成反比，泄漏电流越大，Rsh越小；反之，Rsh越大。

根据上述光伏电池等效电路，在参考条件下，有四个重要参数：短路电流Isc，开路电压Uoc，最大输出功率点电流Im，最大输出功率点电压Um，如果外界光照强度和温度发生变化，这四个参数也会发生不同程度的变动，但是只要维持在标准情况，这四个参数可以视为定值。因此可以得到公式（3）：

其中，

当外界环境出现变化时， 可由式（3）、（4）、（5）计算得出新Isc、Uoc、Im、Um变化值。参考条件取标准状态下温度Tref=25 ℃，光照强度Sref=1000 W/m2，短路电流Isc=10.8 A，开路电压Uoc=320 V，最大功率电流Im=8.9 A，最大功率电压Um=249 V。据此搭建MATLAB仿真模型，并对光强变化和温度变化进行验证。得到仿真曲线如图2、图3所示。保持温度25 ℃不变时，光照强度由1000 W/m2在0.1 s上升到1200 W/m2，在0.3 s上升到1400 W/m2，在0.5 s降低到800 W/m2，0.1 s后降低到600 W/m2。

由图2、图3可观察得出温度不变时，光照强度随着时间改变而减小，最大功率点的输出电流值也随之变小，输出电压也变小，Uoc变小，最大功率P降低。光照强度能够较大幅度影响开路电压Uoc变化。

图2 温度不变时U-P曲线

图3 温度不变时U-I曲线

取光照强度1000 W/m2不变时，温度由25 ℃在0.1 s降低到15 ℃，在0.3 s上升到30 ℃，而在0.5 s上升到40 ℃。可以得到光照不变时U-I曲线与U-P曲线分别如图4、图5所示。

图4 光照不变时U-I曲线

图5 光照不变时U-P曲线

由图4与图5可知，在光照不变的情况下，温度对开路电压Uoc影响较大，随着温度值的增大Uoc变小，短路电流Isc小幅度增大，Im增加Um减小。可得出温度变化能较大幅度影响Isc的变化。

通过对太阳能电池的仿真分析可以发现：光伏电池的输出特性具有很强的非线性特征，光照强度S、环境温度T和负载情况等因素会对其产生明显的影响[5]。为了充分利用光伏电池转换的能量，以提高整个系统的能量利用率，需要光伏电池始终处于最大功率输出的状态。因此，需要在光伏电池板和负载之间增加最大功率点跟踪控制装置，使光伏发电系统能够实时地跟踪最大功率点。

1.2 并网结构

光伏并网发电采用双极型结构，即前级DC/DC部分和后级DC/AC部分[6]。其中光伏阵列和Boost升压斩波电路构成了前级；三相全桥逆变电路、蓄电池以及电网作为后级。包括前级DC/DC双升压斩波（Boost）电路和后级逆变DC/AC两部分组成。光伏阵列产生的不稳定直流电经过最大功率跟踪技术（MPPT）处理后控制前级DC/DC端Boost电路功率管的开断，完成最大功率跟踪的任务的同时形成稳定的直流电压信号，输出的直流电再经过逆变器逆变（DC/AC）电路后形成正弦交流电，经滤波整形后接入电网。整个系统结构能较好地维持电压、电流的平稳运行，系统结构如图6所示。

图6 太阳能并网发电系统结构图

2 最大功率点跟踪设计

2.1 最大功率点跟踪技术

最大功率点跟踪（MPPT）是为了提高光伏电池的转换效率，使光伏电池始终处于最大功率输出的状态，这就需要在光伏电池板和负载之间增加最大功率点跟踪控制装置，从而使光伏发电系统能够实时地跟踪最大功率点[7]。MPPT控制策略是通过测量光伏电池的实时输出功率，采用相应的控制算法来预测此时条件下光伏电池的最大功率点，通过改变负载或当前电压、电流等值来达到能够满足跟踪最大功率点的要求[8]。这样，不管太阳光的辐射强度如何变化，也不论外界温度怎样变化使光伏电池的输出功率减少还是增加，系统都会自动通过MPPT技术实时跟踪当前的最佳工作点，从而提高光伏发电系统的转换效率。

2.2 最大功率点跟踪设计

扰动观察法是目前一种较好的实现最大功率点跟踪的方法，其是通过对电池输出电压不断扩大或缩小步长来实现扰动，通过变化前后的功率比较计算来确定下一次的电压扰动变化，直到达到最大功率输出[9]。保证MPPT的执行速度不低且最大功率跟踪精度较高，需采用变步长扰动，根据改变步长的前后功率来判断步长的增减。MPPT执行扰动时，为了避免出现震荡的情况，扰动步长设计最大一般为2 W，ΔP＞2 W时，设计的MPPT将以最大扰动步长进行扰动；当0.5 W＜ΔP＜2 W时，步长值设计成与功率震荡值成正比的数值，ΔV=2V*(ΔP/2 W)。ΔP＜0.5 W时，MPPT工作在最大功率点处Pmax，步长将不作调整，等到下个周期继续判断是否需要扰动，其工作流程图如图7所示。

图7 工作流程图

若光伏电池当前运行点和Pmax所处点距离相对较大时，便增加步长去扰动[10]，这样便可以较快到达Pmax；若光伏电池当前运行点和Pmax所处点距离相对较小时，便减少步长去扰动，通过对比两次连续功率采样值，其差值已经在要求精度范围之内，说明当前已经运行在Pmax处。利用这样的方法，以此验证MPPT是否正确可行，而整个最大功率跟踪过程既可确保仿真时间，也可确保精度要求。

3 仿真调试

构建最大功率跟踪的扰动观察法MATLAB仿真模型，光伏电池的输出电压、电流、输出功率分别如图8、图9、图10所示。

图8 光伏电池输出电压

图9 光伏电池输出电流

从仿真曲线可以看出改变光照强度在0.3 s时由1000 W/m2变化到800 W/m2，光伏电池输出电流能够在0.05 s后，输出电压在0.2 s后，最大功率在0.15 s后也能够稳定在一个值，说明所设计的MPPT有效可行。

4 结束语

随着经济的迅猛发展，能源逐渐供不应求且需求量越来越大，太阳能作为一种清洁无污染的能源，利用价值可观。如何提高太阳能光伏并网发电效率是核心内容，本文通过对太阳能光伏并网发电系统中的最大功率点跟踪进行研究，通过MPPT控制，实现最大功率因数并网，使系统处于最大功率点，提高了并网发电的转换效率，在实际中有一定的应用价值。