肖 夏，侯建富，王 釗

具有MPPT功能的光伏系統(tǒng)仿真

肖 夏，侯建富，王 釗

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津 300072)

光伏發(fā)電受制于太陽(yáng)能電池較低的轉(zhuǎn)換效率，使得其最大功率點(diǎn)的跟蹤，成為提高光伏發(fā)電效率的關(guān)鍵．通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池等效電路和輸出特性的分析以及對(duì)最大功率點(diǎn)跟蹤原理的研究，利用Matlab/Simulink，并結(jié)合Boost電路，構(gòu)建了通用型的光伏系統(tǒng)仿真模型．該仿真模型采用擾動(dòng)觀測(cè)法跟蹤太陽(yáng)能電池最大功率，并對(duì)太陽(yáng)能電池在環(huán)境溫度、日照強(qiáng)度固定及動(dòng)態(tài)變化情況下的最大功率點(diǎn)跟蹤進(jìn)行了仿真測(cè)試，測(cè)試當(dāng)兩者同時(shí)變化時(shí)，日照強(qiáng)度變化對(duì)太陽(yáng)能電池輸出功率的最大值影響比較大，其中當(dāng)日照強(qiáng)度增大200,W/m2時(shí)其輸出最大功率增幅達(dá)28%．仿真結(jié)果表明，該模型能夠準(zhǔn)確迅速地對(duì)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤．

太陽(yáng)能電池；最大功率點(diǎn)跟蹤；擾動(dòng)觀測(cè)法；Matlab/Simulink

隨著科學(xué)技術(shù)及全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，世界對(duì)于能源的消耗需求與日俱增，而以煤、石油、天然氣為主的傳統(tǒng)化石能源儲(chǔ)量已日趨減少，并且據(jù)預(yù)計(jì)百年左右以后傳統(tǒng)化石能源將被消耗殆盡．尋求可再生能源和新能源的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)高效的節(jié)能技術(shù)，已經(jīng)成為當(dāng)今世界研究的熱點(diǎn)．太陽(yáng)能以其取之不盡用之不竭的特點(diǎn)受到人們的廣泛關(guān)注，而光伏(photovoltaic，PV)發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要方式更是成為研究的重要方向．由于太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率低、前期投入大，且太陽(yáng)能電池的輸出特性受外部環(huán)境的影響比較大，因此充分利用太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換后的能量是光伏系統(tǒng)的基本要求．對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)控制即可保證太陽(yáng)能電池始終工作在最大功率點(diǎn)，可有效提高太陽(yáng)能電池的使用效率[1-2]．

文獻(xiàn)[3-4]中只是對(duì)太陽(yáng)能電池模型在固定條件下進(jìn)行最大功率跟蹤的仿真，沒(méi)有能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)對(duì)太陽(yáng)能電池最大輸出功率動(dòng)態(tài)跟蹤的仿真．文獻(xiàn)[5]則主要是通過(guò)Matlab程序?qū)μ?yáng)能電池在不同條件下的輸出特性進(jìn)行仿真，且同樣沒(méi)有對(duì)環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度變化的情況下太陽(yáng)能電池的最大功率值跟蹤進(jìn)行仿真．

筆者在Simulink仿真環(huán)境中，基于太陽(yáng)能電池的等效電路模型和最大功率跟蹤原理，不僅建立了通用的太陽(yáng)能電池仿真模型，而且與最大功率跟蹤功能相結(jié)合構(gòu)建了光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤仿真模型．該模型通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池電氣參數(shù)如標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓、短路電流、開(kāi)路電壓溫度系數(shù)、短路電流溫度系數(shù)等的設(shè)置，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度變化時(shí)太陽(yáng)能電池最大功率的動(dòng)態(tài)跟蹤．

1 太陽(yáng)能電池的工作特性

當(dāng)太陽(yáng)能電池受到太陽(yáng)光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生光生電流，光生電流流過(guò)負(fù)載就會(huì)產(chǎn)生端電壓，此時(shí)太陽(yáng)能電池的工作情況可以用圖1所示的等效電路模型來(lái)表示．

如圖1所示，太陽(yáng)能電池的等效電路模型由理想電流源Iph、反向并聯(lián)二極管D、串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh構(gòu)成．其中：Iph為太陽(yáng)能電池的光生電流；ID為太陽(yáng)能電池等效二極管的反向電流；Ish為流經(jīng)太陽(yáng)能電池等效并聯(lián)電阻的電流；IL為太陽(yáng)能電池的輸出電流；Rsh為太陽(yáng)能電池的等效并聯(lián)電阻；Rs為太陽(yáng)能電池的等效串聯(lián)電阻；RL為太陽(yáng)能電池的輸出電阻；Uo為太陽(yáng)能電池的輸出電壓．

圖1 太陽(yáng)能電池等效電路模型Fig.1 Equivalent model of photovoltaic cell

根據(jù)太陽(yáng)能電池的工作原理可知，太陽(yáng)能電池的輸出特性與二極管的輸出特性比較相似．太陽(yáng)能電池的I-V輸出特性方程為

式中

式中：Isc為短路電流，A；Uoc為開(kāi)路電壓，V；KI為短路電流溫度系數(shù)，A/℃；T為外部環(huán)境的熱力學(xué)溫度，K；G為日照強(qiáng)度，W/m2；q為電子電量，q=1.6×10-19,C；A為理想因子，介于1～2之間，無(wú)量綱；K為玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23,J/K．

由式(2)可以看出太陽(yáng)能電池的光生電流受到外界因素如環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度的影響．太陽(yáng)能電池在不同的日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度條件下對(duì)應(yīng)著不同的光生電流Iph，并且光生電流Iph與日照強(qiáng)度成正比，與環(huán)境溫度成一定的線性關(guān)系[6-7]．

而外界因素，如太陽(yáng)輻射與環(huán)境溫度，會(huì)顯著影響太陽(yáng)能電池的工作性能，考慮到兩者對(duì)太陽(yáng)能電池的短路電流與開(kāi)路電壓的影響，做出修正為

式中：KV為開(kāi)路電壓溫度系數(shù)，V/℃；scI′為修正后的短路電流，A；ocU′為修正后的開(kāi)路電壓，V；Tref為標(biāo)準(zhǔn)參考外部環(huán)境溫度，K；ΔT為與參考溫度的差值，K；Gref為標(biāo)準(zhǔn)參考日照強(qiáng)度，W/m2；ΔG為與參考日照強(qiáng)度的差值，W/m2；a、b均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，分別為0.03和0.2．

2 太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤原理

為了減少太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換所得能量的損失，提高太陽(yáng)能電池的能源利用率，一般在光伏系統(tǒng)中都要求太陽(yáng)能電池輸出最大功率，即要跟蹤太陽(yáng)能電池輸出的最大功率點(diǎn)．最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的原理是系統(tǒng)通過(guò)一定的算法對(duì)太陽(yáng)能電池的輸出電流或輸出電壓進(jìn)行控制，從而使得太陽(yáng)能電池始終工作在最大功率狀態(tài)．圖2所示為太陽(yáng)能電池的輸出功率特性P-V曲線．

由圖2可知，太陽(yáng)能電池的輸出功率隨著其輸出電壓的上升而增大，當(dāng)輸出電壓達(dá)到Umax時(shí)輸出功率達(dá)到最大值，之后隨著輸出電壓的上升輸出功率開(kāi)始減?。捎谔?yáng)能電池的輸出特性受日照強(qiáng)度和溫度的影響比較大，當(dāng)日照強(qiáng)度、溫度等外界條件改變時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出功率特性會(huì)隨之發(fā)生變化；而且即使是在同一日照強(qiáng)度和溫度下，由于負(fù)載的不同，太陽(yáng)能電池的輸出功率也是不同的，所以光伏系統(tǒng)一般不采用將太陽(yáng)能電池與負(fù)載直接相連的傳統(tǒng)技術(shù)，而采取最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，以確保太陽(yáng)能電池能夠輸出最大功率[8-9]．

圖2 太陽(yáng)能電池輸出功率特性曲線Fig.2 Output power curve of solar panel

DC/DC變換器可以將不可控的直流輸入轉(zhuǎn)化為可控的直流輸出，因此在光伏系統(tǒng)中采用DC/DC變換器可以將太陽(yáng)能電池的不可控輸出轉(zhuǎn)化為可控的輸出，用于對(duì)蓄電池的充電以及對(duì)負(fù)載的驅(qū)動(dòng)．圖3為升壓式(Boost)DC/DC變換電路圖．

圖3 升壓式DC/DC變換電路Fig.3 Boost DC/DC converter

如圖3所示，太陽(yáng)能電池的輸出與Boost變換器的輸入端相接，Boost電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：首先對(duì)Boost變換器輸入電壓、輸入電流的信號(hào)采集，而后通過(guò)最大功率追蹤模塊對(duì)輸入電壓與電流進(jìn)行計(jì)算分析，并輸出用于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)Mosfet開(kāi)關(guān)管g的PWM波形信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)Mosfet管的高速開(kāi)啟與關(guān)閉，以改變太陽(yáng)能電池輸出電壓的大小，最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤控制．

本文中選用擾動(dòng)觀測(cè)法[10-13]作為MPPT控制算法，該算法的原理是測(cè)得太陽(yáng)能電池的輸出電壓U(k)與輸出電流I(k)，通過(guò)輸出電壓U(k)可以計(jì)算出占空比D(k)的值，而輸出電壓U(k)與輸出電流I(k)的乘積則為其輸出功率P(k)，然后與前一時(shí)刻測(cè)得的輸出電壓U(k-1)及求得的輸出功率值P(k -1)進(jìn)行比較，如果

如此循環(huán)下去，便可使太陽(yáng)能電池工作在最大功率點(diǎn)附近．由于一直給予微擾動(dòng)ΔD，故可以在外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)及時(shí)地調(diào)整占空比，追蹤太陽(yáng)能電池的最大功率工作狀態(tài)．圖4為利用擾動(dòng)觀測(cè)法控制追蹤太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)的流程．

圖4 擾動(dòng)觀測(cè)法流程Fig.4 Flowchart of perturb and observe algorithms

3 光伏系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果分析

基于太陽(yáng)能電池的等效電路模型及輸出特性的研究，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建了通用的太陽(yáng)能電池仿真模型，而且與最大功率跟蹤控制相結(jié)合組成了可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的光伏系統(tǒng)仿真模型．圖5為在Matlab/Simulink環(huán)境中的光伏系統(tǒng)仿真模型．其中PV模塊有兩個(gè)參數(shù)輸入端，可分別輸入日照強(qiáng)度G和環(huán)境溫度T；而B(niǎo)attery模塊有兩個(gè)輸出端，分別接在負(fù)載的兩端．

圖5 Matlab/Simulink中的光伏系統(tǒng)模型Fig.5 Model of PV system in Matlab/Simulink

圖5所示光伏系統(tǒng)中PV模型中內(nèi)部封裝著包括Uoc、Isc、KI、KV等太陽(yáng)能電池的主要電氣參數(shù)．通過(guò)對(duì)各個(gè)電氣參數(shù)的設(shè)置，且在輸入不同日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度條件后，即可獲得太陽(yáng)能電池在該條件下的輸出特性．

選用型號(hào)為SP50-18,M的太陽(yáng)能電池進(jìn)行建模仿真．在參考外部環(huán)境溫度t=25,℃，日照強(qiáng)度G= 1,000,W/m2的情況下，開(kāi)路電壓Uoc為21.42,V，短路電流Isc為3.20,A，最大功率點(diǎn)處的電壓值Umpp為17.64,V，最大功率點(diǎn)處的電流值Impp為2.84,V，短路電流的溫度系數(shù)KI為2.08,mA/℃，開(kāi)路電壓的溫度系數(shù)KV為-0.071,V/℃．

輸入SP50-18M的相關(guān)電氣參數(shù)，利用構(gòu)建的光伏系統(tǒng)仿真模型對(duì)該型號(hào)的太陽(yáng)能電池在不同外部條件下進(jìn)行仿真，所得輸出功率曲線如圖6所示．其中，圖6(a)所示為溫度和日照強(qiáng)度固定不變的情況下太陽(yáng)能電池輸出功率最大值跟蹤的仿真曲線，設(shè)定溫度t=25,℃、日照強(qiáng)度G=1,000,W/m2，從圖6(a)中可以看出由于溫度和日照強(qiáng)度固定，該模型在尋找到太陽(yáng)能電池的最大輸出功率后，依舊不停地增加微擾動(dòng)以判斷該狀態(tài)時(shí)的輸出功率是否為最大，因此輸出功率在50,W附近進(jìn)行振蕩．圖6(b)所示為溫度不變?nèi)照諒?qiáng)度發(fā)生變化情況下太陽(yáng)能電池輸出功率最大值跟蹤的仿真曲線，設(shè)定溫度t=25,℃，日照強(qiáng)度G由800,W/m2逐漸增大到1,000,W/m2，可以看出太陽(yáng)能電池的輸出功率隨著日照強(qiáng)度的升高而增大，由最初的39,W左右逐漸增大到50,W，增大幅度達(dá)28%．圖6(c)所示為日照強(qiáng)度不變溫度發(fā)生變化情況下太陽(yáng)能電池輸出功率最大值跟蹤的仿真曲線，設(shè)定日照強(qiáng)度G=1,000,W/m2，溫度t由25,℃逐漸增大到35,℃，可以看出太陽(yáng)能電池的輸出功率隨著溫度的升高而降低，由最初的50,W逐漸減小到49,W，減小幅度僅為2%．圖6(d)所示為在溫度和日照強(qiáng)度同時(shí)變化情況下溫度由25,℃逐漸增大到35,℃，日照強(qiáng)度由800,W/m2逐漸增大到1,000,W/m2，隨著溫度和日照強(qiáng)度的同時(shí)升高，太陽(yáng)能電池的輸出功率由39,W逐漸增大到49,W，增大幅度為25.6%，略小于溫度不變?nèi)照諒?qiáng)度增大情況下的增幅．圖6(e)所示為溫度不變而日照強(qiáng)度發(fā)生突變情況下太陽(yáng)能電池輸出功率最大值跟蹤的仿真曲線，設(shè)定光伏電池在溫度為25,℃條件下，日照強(qiáng)度在仿真時(shí)間為0.5,s時(shí)由1,000,W/m2突變?yōu)?00,W/m2，可以看出太陽(yáng)能電池最大輸出功率隨著光照強(qiáng)度的減弱而降低．

圖6 太陽(yáng)能電池輸出功率仿真曲線Fig.6 Simulation curve of output power of solar panel

4 結(jié) 語(yǔ)

太陽(yáng)能電池的輸出功率與環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度有關(guān)，不同的環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度情況下其輸出功率也不同．因此光伏系統(tǒng)的建模與仿真是研究光伏系統(tǒng)性能的關(guān)鍵．本文根據(jù)太陽(yáng)能電池的等效電路模型和最大功率跟蹤原理，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建可實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的光伏系統(tǒng)仿真模型．根據(jù)對(duì)幾種不同情況下的仿真結(jié)果表明，日照強(qiáng)度變化對(duì)太陽(yáng)能電池輸出功率的最大值影響比較大，日照強(qiáng)度增大200,W/m2其輸出最大功率增幅達(dá)28%；溫度變化對(duì)太陽(yáng)能電池輸出功率最大值影響比較小，溫度上升10,℃其輸出功率的最大值僅減小2%；當(dāng)兩者同時(shí)變化時(shí)，太陽(yáng)能電池主要受日照強(qiáng)度的影響．綜上所述，該模型可以動(dòng)態(tài)跟蹤環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度等參數(shù)變化下太陽(yáng)能電池輸出功率的最大值．

［1］ Veerachary M，Seniyu T，Uezato K. Maximum power point tracking control of IDB converter supplied PV system[J]. IEE Proc Electronic Power Application，2001，148(6)：494-502.

［2］ Hua Chihchiang，Shen Chihming. Study of maximum power tracking techniques and control of DC/DC converters for photovoltaic power system[C]// The 29th IEEE Annual Conference on Power Electronics Specialists. Fukuoka，Japan，1998：86-93.

［3］ Mohamed Khleel Khalid，Kanaan Edrees Amina. A high efficiency maximum power point tracker for photovoltaic arrays [J]. Al-Rafidain Engineering，2009，17(6)：67-76.

［4］ Chitti B B，Vigneshwaran R，Sudharshan K R，et al. A novel technique for maximum power point tracking of photovoltaic energy conversion system[C]// The Fourth International Conference on Computer Allications in Electrical Engineering CERA．Roorkee，India，2010：702-705.

［5］ 崔 巖，蔡炳煌，李大勇，等. 太陽(yáng)能光伏模板仿真模型的研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(4)：829-834.

Cui Yan，Cai Binghuang，Li Dayong，et al. Study on simulation model of PV module[J]. Journal of System Simulation，2006，18(4)：829-834(in Chinese).

［6］ 王廈楠. 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其MPPT的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)民航/飛行學(xué)院，2008.

Wang Xianan. Research on Stand-Alone PV System[D]. Nanjing：College of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008(in Chinese).

［7］ 隋 崗. 小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[D]. 青島：青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，2009.

Sui Gang. Analysis and Design on Small-Scale Standalone PV System[D]. Qingdao：College of Automation Engineering，Qingdao University，2009(in Chinese).

［8］ 趙庚申，王慶章，許盛之. 最大功率點(diǎn)跟蹤原理及實(shí)現(xiàn)方法的研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27(10)：997-1001.

Zhao Gengshen，Wang Qingzhang，Xu Shengzhi. Research on realization and principle of maximum power point tracing[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2006，27(10)：997-1001(in Chinese).

［9］ 李 晶，竇 偉，徐正國(guó)，等. 光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2007，28(3)：268-273.

Li Jing，Dou Wei，Xu Zhengguo，et al. Research on MPPT methods of photovoltaic power generation system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2007，28(3)：268-273(in Chinese).

［10］ Hua Chihchiang，Lin Jongrong，Shen Chihming. Implementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45(1)：99-107.

［11］ Moubayed N，El-Ali A，Outbib R. A comparison of two MPPT techniques for PV system[J]. WSEAS Transactions on Environment and Development，2009，12 (5)：770-779.

［12］ Yu G J，Jung Y S，Choi J Y，et al. A novel two-mode MPPT control algorithm based on comparative study of existing algorithms[J]. Solar Energy，2004，76(4)：455-463．

［13］ Chao Zhang，Zhao Dean，Wang Jinjing，et al. A novel two-mode MPPT method for photovoltaic power generation system[C]// The 6th IEEE International Conference on Power Electronics and Motion Control．Wuhan，China，2009：2100-2102.

Simulation Research on PV System with MPPT

Xiao Xia，Hou Jianfu，Wang Zhao
(School of Electronic information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Due to the relatively low conversion efficiency of photovoltaic cell, the maximum power point tracking(MPPT) is absolutely necessary for photovoltaic system. Based on the analysis of equivalent circuit and output characteristic of solar panel and the principle of MPPT, a versatile boost converter-based photovoltaic system model was established by Matlab/Simulink. The maximum output power of photovoltaic system was obtained by using this model with the perturb and observe method under both steady and dynamic temperature and solar irradiation. Compared with temperature, solar irradiation has a more obvious impact on the output power of solar panel under dynamic temperature and solar irradiation. The output maximum power was increased by 28%when solar irradiation increased by 200 W/m2. The results indict that the simulation model can fast and accurately track the maximum power point of photovoltaic cell.

solar panel；maximum power point tracking；perturb and observe method；Matlab/Simulink

TK513.5

A

0493-2137(2013)10-0929-05

DOI 10.11784/tdxb20131012

2012-03-01；

2012-09-11.

肖 夏（1971— ），女，博士，教授．

肖 夏，xiaxiao@tju.edu.cn．