基于定步长扰动观察法的光伏电池最大功率点跟踪仿真

丁天启,谷彩连

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.国网安徽凤台县供电有限责任公司，安徽 凤台 232100)



基于定步长扰动观察法的光伏电池最大功率点跟踪仿真

丁天启1，2,谷彩连1

(1.沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136； 2.国网安徽凤台县供电有限责任公司，安徽 凤台 232100)

摘要：最大功率点跟踪技术可以保证光伏电池的能量转换效率，在研究最大功率点跟踪原理的基础上，利用MATLAB对定步长扰动观察法光伏电池最大功率点跟踪系统搭建了模型并进行仿真。结果表明，光伏电池的建模完全满足研究需要,定步长观察法MPPT系统可以完成最大功率跟踪。

关键词：光伏电池；最大功率跟踪；MATLAB仿真

在各种新能源发电技术中，光伏发电技术越来越受到重视。近年来，光伏发电技术在世界范围内的应用出现了显著的增长，光伏电站的建设也进入了高潮。光伏发电技术的前景广阔，但是也存在着一些问题，其中突出的就是光伏电池的初期投入较大而能量转换效率不高。光伏电池在不同的光照及温度下的P-V曲线如图1和图2所示。由图可见对于不同的温度或光强，光伏电池最大功率点电压不同，所以为了调整光伏电池使其始终处于最大功率点上，提高光伏电池效率，需对光伏电池采用最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。

1光伏电池最大功率点追踪

1.1最大功率跟踪简介

在光照和温度恒定的情况下，光伏电池运行于不同电压时的输出功率不同，只有运行在某一个电压时，光伏电池的输出功率才能最大，这一点称为最大功率点。在实际的运行中，光照情况和温度都是变化的，为了使光伏电池在任何光照或温度下都运行在最大功率点，就需要最大功率跟踪来实现。

目前运用比较广泛的MPPT方法有扰动观察法、电导增量法、固定电压法和模糊控制法等。

图1　光伏电池不同光强下的P-V曲线

图2　光伏电池不同温度下的P-V曲线

扰动观察法是目前应用最为广泛的方法，其原理是：不断给予光伏电池输出电压一个小的扰动，观察这时输出功率的变化，根据输出功率变化情况来决定下次扰动的大小和方向。扰动观察法实现起来比较简单，控制结构也不复杂，其缺点就是会不断地对电压进行扰动。当光伏电池在靠近最大功率点工作时，就会不停地震荡，影响输出功率。

电导增量法利用光伏电池的电导变化量与瞬时电导来实现最大功率跟踪。电导增量法可以实现对最大功率比较精确的追踪，但是实现难度比较大。固定电压法认为，只要温度不变，在不同的光照情况下最大功率点的电压不变(实际上有轻微变化)。因而，固定电压法不管光强如何变化，都会维持一个恒定的电压,其控制简单但是跟踪精度差。模糊控制法属于人工智能的领域，在系统非常复杂或不确定性很高时，模糊控制法会取得比较好的效果。现把上述各种最大功率跟踪技术的优缺点列于表1中，方便比较。

1.2改进的定步长扰动观察法

就目前而言，扰动观察法的总体效果最好，应用也最为广泛，所以采用一种改变占空比的定步长扰动观察法。

在光伏电池接入逆变器之前需要使用Boost变换器来提高直流电压，Boost变换器的输出电压Uout=U/1-D。D为占空比，U代表光伏电池的电压。当电池运行于最大功率点附近，认为Uout不变，改变占空比D就可以改变光伏电池电压和输出功率。占空比扰动观察法就是对D施加扰动，观察光伏电池的输出功率来决定下一次扰动的大小和方向，直至光伏电池运行在最大功率点。对于dp/dU>0的情况，光伏电池工作在最大功率对应电压之下的电压上，这时应该提高电压来靠近最大功率点。如果是dp/dU<0的情况就代表了光伏电池的工作电压超过了最大功率点电压，应当减小电压以靠近最大功率点。

表1　MPPT技术比较

占空比扰动观察法的流程图如图3所示。

图3　占空比扰动观察法流程

2光伏电池及MPPT系统仿真

2.1仿真过程

根据上面提出的MPPT控制方法，在MATLAB中搭建MPPT的控制器。MPPT控制器扰动的步长设定为0.02，控制器的仿真模型如图4所示。

图4　MPPT控制器模型

IGBT的控制信号发生器利用MPPT输出的信号与矩形波比较，根据比较结果控制IGBT的通断，可以达到脉冲宽度调制的效果。模型如图5所示。

将上面2个模型都进行封装便于搭建光伏MPPT的主电路。

一般来说，光伏电池的MPPT环节是通过对DC-DC电路的控制来实现的，DC-DC电路主要有Boost电路和Buck电路，选用Boost电路作为主电路。Boost电路比较适用于光伏电池并网发电的场合，光伏电池MPPT仿真系统如图6所示。

图5　PWM模型

图6　光伏电池MPPT系统仿真

2.2仿真结果

经过反复计算与实验，电路中电感取值为0.2 H，电容C1取值为100 μF，电容C2取值为400 μF，负载为10 Ω电阻。太阳能光伏电池的温度始终不变，设定为25 ℃，光照强度初始值为1 000 W/m2， 0.1 s时突降至600 W/m2。仿真时间为0.2 s，仿真结果如图7、图8所示。

图7　光强变化时输出电压随时间变化曲线

图8　光强变化时输出功率随时间变化曲线

测试MPPT系统在温度发生变化时能否有效地完成最大功率跟踪。电路元件的参数不作修改。光强变为1 000 W/m2，初始温度为60 ℃，0.1 s时突降到30 ℃，仿真时间0.2 s，观察光伏电池的输出变化(见图9、图10)。

图9　温度变化时输出电压随时间变化曲线

图10　温度变化时输出功率随时间变化曲线

3结语

对定步长扰动观察方法进行了改进，并利用Matlab进行仿真建模，结果表明，所建模型基本上实现了既定的目标，达到光伏系统最大输出功率跟踪的目的。但是，定步长扰动观察法的跟踪速度和跟踪精度存在矛盾，最大功率点附近的振荡不可避免。下一步工作中，需要继续改进追踪模型，减少最大功率电附近的振荡现象从而避免不必要的功率损耗，加快MPPT调整速度，优化系统参数设置，最终提高跟踪的速度和精度。

参考文献

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Simulation of Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Based on Fixed-step Perturbation and Observation

DING Tian-qi,GU Cai-lian

(School of Electrical Engineering,ShenyangInstitute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：The photovoltaic generation technology has been utilizingmore and more widely.Maximum Power Point Tracking(MPPT) technology could ensure the efficiency of energy transformation.Based on the MPPTprinciple,a photovoltaic fixed-step perturbation and observation MPPT system modelwas established withMatlab and simulation was carried with this model.The result showedthe fixed-step perturbation and observation MPPT was able to achieve maximum power tracking.

Key words：photovoltaic；modeling；maximum power point tracking；Matlab simulation

中图分类号：TM914

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)01-0061-04

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.012

作者简介：丁天启(1993-)，男，安徽芜湖人。通讯作者： 谷彩连(1980-)，女，河北石家庄人，讲师，硕士。

基金项目：沈阳工程学院校级项目(LGTD-1207)

收稿日期：2015-06-29