光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究

【摘要】随着不可再生能源的不断消耗，能源缺乏问题逐渐成为经济发展的阻碍。本文主要针对在太阳能开发过程中，对其最大功率点进行跟踪的算法研究。在搭建的光伏电池模型的基础上，分析了最大功率跟踪算法中的恒压法和导纳法的基本原理的同时，还利用MATLAB对系统进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。

【关键词】光伏发电；MPPT；恒压法；导纳法

1.引言

随着社会经济的不断发展，地球上不可再生资源也在不断的减少，能源枯竭阻碍着人类的发展，对此人们在努力地寻找新能源。太阳能是理想的新能源，它取之不尽、用之不竭，而且作为清洁能源无大气和放射性污染，具有很好的应用前景。

在对太阳能应用过程中，由于光伏电池的输出不稳定，受环境影响很大，输出效率低，因此对光伏电池输出最大功率点的跟踪显得重要。光伏电池可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能到达最大功率点。使光伏电池工作在最大功率点，就是最大功率点跟踪。

目前国内外已提出固定电压法、扰动观察法、电导增量法、自适应算法等多种MPPT算法，这些算法各有各的优点，也都存在不足。本文以恒压法和导纳法为例，分析其基本原理后，分别对其进行系统仿真，得出相应的输出曲线。

2.光伏阵列输出特性

光伏阵列由多个单体太阳能电池串并联封装而成，是光伏发电系统的能源供给中心。太阳能电池等效电路如图1所示。

图1 太阳能电池等效电路

图2 光伏阵列输出I-U曲线

其中：

式中，为光伏阵列电流，即光伏效应产生的原始电流；为反向饱和流；q为电子电荷；n为二极管因子，当温度强300K时，n=2.8；K为玻耳兹曼常数；为阵列串联等效电阻；Rs小为光伏阵列并联等效电阻。

由于光伏阵列可以工作在不同的电压下，其输出功率由输出电压决定，根据光伏阵列输出电压电流曲线，如图2所示，光伏阵列工作输出功率为虚线围成的面积。

根据光伏阵列输出P-V曲线，如图3所示，在输出电压Umax时，就会输出最大功率Pmax，即在M点处为光伏阵列最大功率输出点，且是唯一点。因此可以通过对光伏阵列输出点电压的控制，从而实现最大功率的跟踪。

图3 光伏阵列输出P-V曲线

3.MPPT控制方法分析

基于不同环境下光伏电池输出特性，有3种方法可以实现最大功率点跟踪，即恒定电压法（CV）、扰动法（PO）、导纳法（IC）；CV法基于光伏电池最大工作点电压在不同光强下基本不变的特点，控制电池电压保持恒定。当日照强度较高时，诸曲线的最大功率点几乎都分布在一条垂直线的两侧，这说明光伏阵列的最大功率输出点大致对应于某一恒定电压，这就大大简化了MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得数据Vmax，并使阵列的输出电压钳位于Vmax值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。采用CVT较之不带CVT的直接耦合工作方式要有利得多，对于一般光伏系统可望获得多至20%的电能。基于恒定电压法的跟踪器制造比较简单，而且控制比较简单，初期投入也比较少。但这种控制方式忽略了温度对开路电压的影响，以常规的单晶硅光伏电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压下降约为0.35～0.45%，具体较准确的值可以用实验测得，也可以按照光伏电池的数字模型计算得到。以某一位于新疆的光伏电站为例，在环境温度为25℃时光伏阵列的开路电压为363.6V，当环境温度为60℃时开路电压下降至299V（均在日照强度相同情况下），其下降幅度达到17.5%，这是一个不容忽视的影响。PO法与IC法都基于最大功率点处U-P曲线斜率为0的关系对电池电压进行扰动。PO法以为依据确定最大功率点，算法简单；但是工作点始终在最大功率点附近振荡.且该方法所用的判据在光照变化较快的情况下会导致跟踪失败。IC法在的基础上推导出的判据，可以更好地适应快速变化的环境条件，避免跟踪失败，准确性更高，但是算法较复杂，跟踪效果依赖于精密的测量结果，对测量电路要求高。

4.系统仿真

系统结构图如图4所示：

图4 系统结构图

根据光伏阵列输出特性，即：

搭建光伏电池仿真模型内部结构，由于光伏电池输出曲线是非线性的，将光伏电池仿真模型进行封装，得到系统仿真结构图如图5所示。

图5 系统仿真结构图

在光伏电池模型搭建好后，再输入端给定输入信号温度T（假设为25℃）和光照强度（设定为阶跃输入信号，初始值为500kw/m2，0.15s时发生阶跃变化，设定值变化后值为1000kw/m2），得到恒压法和导纳法仿真结果及结果分析如下。

根据恒压法控制流程图，如图6所示，搭建MPPT控制模块，进行仿真。

图6 恒压法控制流程图

图7 恒压法仿真波形

恒压法仿真波形图如图7所示，由图可以看出，在仿真开始后，系统在大约0.05s就跟踪到最大功率，在仿真开始到0.1s是，光照强度发生变化，此后在0.5s左右跟踪系统再次跟踪到最大功率；根据图示还可以得出，恒压法在光照强度这一因素变化时，可以迅速跟踪到最大功率点约90%，但是会产生一定的波动，这会造成光伏电池输出功率的损耗。但是该控制简单，易实现，可靠性高，而且系统不会出现大的振荡，有很好的稳定性，可以方便的通过硬件实现。

对于导纳法，由光伏阵列的P-V曲线知，在最大功率点处其斜率为零，而P=VI，因此在最大功率点处有：

（1）

即：

（2）

式（2）即为达到最大功率点的条件。如果：

（3）

则光伏电池组件的工作点在最大功率点的右边，此时应减小输出电压；如果：

（4）

则光伏电池组件的工作点在最大功率点的左边，此时应增大输出电压。其控制流程图如图其仿真结果如图8所示。

在仿真输入端输入温度T=25℃，光照强度为一个阶跃变化的信号，此阶跃信号起始值为500kw/m2，在0.1s时发生阶跃变化，阶跃后值变为800kw/m2，仿真结果如图9所示，在没有发生阶跃变化时，仿真开始后0.0025s后跟踪到最大功率，在0.1s输入光照强度发生阶跃变化后，功率输出也发生变化，此时的系统也能在0.0025s时跟踪上最大功率。

图8 导纳法控制流程图

当光伏电池上的日照强度和温度变化时，其输出电压能平稳的追踪其变化，且与太阳能电池组件的特性及参数无关；但这种控制算法实现起来相对复杂，而且检测精度和速度在一定程度上会影响跟踪的精度和速度。此外，该算法对步长选择也有一定要求。

图9 导纳法仿真波形

5.结论

本文以恒压法和导纳法为例，对光伏发电系统进行最大功率点的跟踪算法进行了分析，并仿真，结果均表明该控制方法能快速有效的实现最大功率点跟踪控制，验证了所分析的MPPT控制策略的正确性和可行性，有较高的理论和实际价值。

参考文献

[1]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京科学出版社，2005.

[2]周德佳，赵争鸣，吴理博，等.基于仿真模型的太阳能光伏电池阵列特性的分析[J].清华大学学报：自然科学版，2007，47（7）：1109-1112.

[3]王桂英，史金玲，纪飞，王欢，等.光伏并网发电的最大功率点跟踪算法研究[J].2010，7.

[4]李小燕，王新，郑飞，等.光伏并网发电系统的MPPT进算法及其在光照突变时的仿真[J].能源技术，2009，30（5）： 272-279.

[5]张建坡，张红艳，王涛，等.光伏系统中最大功率跟踪算法仿真研究[J].2010，1（27）：266-269.