張志宏

（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 銅陵 244000）

太陽能是一種無污染可再生的能源，各國的能源發(fā)展戰(zhàn)略都大力發(fā)展大陽能應(yīng)用技術(shù)。光伏發(fā)電是太陽能應(yīng)用的主要方面，其在路燈照明系統(tǒng)有廣泛的應(yīng)用。其中，太陽能電池板（光伏組件PV）把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是光伏應(yīng)用系統(tǒng)中的核心部件。因此，對光伏組件的特性研究成為光伏應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個重要環(huán)節(jié)，其中計(jì)算機(jī)軟件仿真分析是很重要的方法。要實(shí)現(xiàn)對光伏路燈照明系統(tǒng)光伏充電的動態(tài)仿真，首先一步解決如何對光伏組件I－V特性進(jìn)行仿真模擬，該模型一旦建立，可用于所研究系統(tǒng)的輸入電源[1]。第二步，研究該P(yáng)V模型的光電轉(zhuǎn)換效率最大化控制的問題。

由于太陽能電池輸出特性的非線性特性，使得對其分析十分困難。本文通過使用國際上權(quán)威的仿真軟件Matlab,利用其Simulink模型模擬實(shí)際的電力系統(tǒng)，對電路進(jìn)行輔助分析，為實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供方法依據(jù)，可大大簡化對本應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)過程。

1 光伏電池的simulink模型

在應(yīng)用于路燈照明的光伏充電的獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要分析光伏電池組件的輸出特性，研究其輸出電壓、電流與輸出功率的關(guān)系才能更好的解決光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的問題。所以在分析時，首先建立PV組件的數(shù)學(xué)模型，有了各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系，可以反映出它們之間變化規(guī)律，也為后續(xù)建立Simulink仿真模型做準(zhǔn)備。

圖1：PV等效模型

光伏電池是光伏系統(tǒng)中重要器件，如圖1所示，在實(shí)際應(yīng)用中,以光伏組件（PV）形式。內(nèi)部特性等效看成一個電流源Ig與二極管Vd、等效電阻Rsh、Rs混聯(lián)組成。其中Ig作用相當(dāng)于光能轉(zhuǎn)化的內(nèi)部電流，稱為光生電流；電流Id為暗電流；流過旁路電阻Rsh的電流用Ish表示；R0為電池外接負(fù)載電阻，Uo為輸出電壓；輸出電流用Io表示[2]。

光伏電池輸出功率的函數(shù)為：

其方程為一超越方程，求解較復(fù)雜，不利于在小型太陽能充電控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，一些參數(shù)在PV組件廠家所提供的規(guī)格書中不包含。所以從工程應(yīng)用角度，本文提出一種簡化的PV組件數(shù)學(xué)模型。利用Simulink軟件工具，在PV組件簡化后的參量數(shù)學(xué)關(guān)系的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一種簡潔PV組件仿真模型。本仿真模型忽略一些工程上的次要因素影響，參考PV組件廠商提供的產(chǎn)品參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中PV板在參考工作環(huán)境S=1000 W／m2，T=25℃測試條件下，提供了4個電氣參數(shù)，最大功率點(diǎn)電流Im=5.71A、最大功率點(diǎn)電壓Vm=17.5V，開路電壓Voc=21.5V，短路電流Isc=6.31A。

Simulink作為MATLAB的一個重要組件，給工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了良好的建模、以及仿真分析的平臺。Simulink平臺下，PV組件的建模仿真分析有常見的兩種方法。其一，利用S函數(shù)編程構(gòu)建PV組件的數(shù)學(xué)模型，其二，直接利用Matlab/Simulink里的模塊搭建，內(nèi)部功能更直觀。本文采用模塊直接搭建的方法，根據(jù)PV組件的工程簡化后數(shù)學(xué)關(guān)系，構(gòu)建Simulink仿真模型。使用時，將實(shí)驗(yàn)中的PV組件參數(shù)代入模型，這樣建立的仿真模型具有通用性，即不同類型的電池只需改變相應(yīng)的參數(shù)（如圖2）。

圖2 光伏組件Simulink仿真模型

圖3是實(shí)際工程中光伏組件為依據(jù)仿真模型的P－V特性曲線，在外部環(huán)境參數(shù)一定時（如溫度和光照強(qiáng)度），在某一特定輸出電壓值時，其輸出功率最高，此電壓值記為PV組件最大功率點(diǎn)電壓Vm。PV組件發(fā)電的輸出電壓高于Vm時，光伏組件的輸出功率隨著工作電壓的增大反而減小；而當(dāng)光伏電池的工作電壓小于Vm時，它的輸出功率會隨著工作電壓的上升反而增大。光伏發(fā)電就是要盡量輸出電壓穩(wěn)定在最大工作點(diǎn)電壓值附近，以獲得最大的光電轉(zhuǎn)換效率。

從光伏組件P－V特性曲線可以看出，溫度、光照強(qiáng)度影響特性曲線的位置，最大功率點(diǎn)也發(fā)生偏移。由于在實(shí)際工作環(huán)境中，光照強(qiáng)度和溫度都是在變化的，工程中的問題就是找到一種較好的控制方法來實(shí)現(xiàn)動態(tài)的控制光伏電池的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。

圖3 光伏組件的P－V特性曲線

2 基于Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MPPT控制

圖4 Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏充電器

2.1 基于Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DC/DC變換電路工作原理

本系統(tǒng)蓄電池一組充電電壓13V左右，太陽能板開路電壓達(dá)到21.5伏，充電需要降壓處理。本文提出的基于Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏充電器其Simulink模型如圖4所示。

Buck電路屬于串聯(lián)型開關(guān)變換器, 又稱降壓變換器,由圖4的仿真模型中可以看出，光伏組件PV通過MPPT控制器輸出最大功率點(diǎn)工作電壓Vre，通過PWM模塊調(diào)節(jié)Buck變換器的占空比α（公式2）,使PV陣列始終工作在當(dāng)前環(huán)境下最大功率點(diǎn)上, 并實(shí)時檢測系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù), 做出相應(yīng)的控制[3]。

式中，Ri為DC/DC變化電路的輸入電阻，Ro為DC/DC變化電路的輸出電阻。對于光伏組件PV來說，Ri也就是其負(fù)載電阻。通過調(diào)整占空比α，可以調(diào)整Ri大小, 利用光伏組件U－I外特性，實(shí)現(xiàn)對光伏組件輸出電壓進(jìn)行調(diào)整,跟蹤控制光伏組件的輸出電壓，使工作狀態(tài)始終在當(dāng)前環(huán)境的最大功率點(diǎn)處,保證光伏組件最大的光電轉(zhuǎn)換效率。

2.2 基于P&O的MPPT控制方法

從圖3 光伏組件的P－V特性曲線可以看出，在不變的溫度和光照強(qiáng)度外部環(huán)境下,光伏組件可以工作在不同的輸出電壓下發(fā)電,但是只有在某一特定輸出電壓時,光伏組件的輸出功率才能達(dá)到最大值。傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)，只簡單采用恒定電壓法進(jìn)行。這種方法在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，需在程序中設(shè)置好充電電壓值，使其盡量和所選擇的光伏陣列最大功率點(diǎn)電壓值接近。但溫度或光照強(qiáng)度變化很大時，輸出功率會偏離最大功率點(diǎn)很多。而且光伏路燈照明系統(tǒng)的光伏組件選型是隨市場變化的，參數(shù)不能固定，作為工廠化生產(chǎn)的光伏充電控制器使用時需預(yù)設(shè)充電壓，非常不方便。

本系統(tǒng)把光伏發(fā)電用的控制技術(shù)——最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）應(yīng)用到光伏路燈照明系統(tǒng)的充電控制中。該技術(shù)的主要方法有以下幾類：電導(dǎo)增量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法、擾動觀察法等等。都各有優(yōu)勢，但也都存在不足之處。比如：電導(dǎo)增量法的計(jì)算較復(fù)雜，對采樣的精度要求很高；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法復(fù)雜，對控制器CPU硬件要求高。擾動觀察法計(jì)算量小，對控制系統(tǒng)的硬件要求低，但在最大功率點(diǎn)處會產(chǎn)生震蕩。為了適應(yīng)本系統(tǒng)要求和硬件成本控制，采用優(yōu)化的擾動觀察法[4][5]。

擾動觀察法P&O(Perturbation and Observation method)是指擾動光伏陣列的輸出電壓，并根據(jù)P=UI計(jì)算擾動前后光伏陣列的輸出功率，將擾動前后的兩個輸出功率進(jìn)行比較的方法。具體來說就是每隔一段時間增加或減少輸出電壓，通過觀測輸出功率的變化來決定隨后輸出電壓是增大還是減小。這種控制方法相對其他方法較簡單， 利用較低配置的硬件電路即可實(shí)現(xiàn)。

圖5 基于P&O的MPPT控制子系統(tǒng)

圖5是光伏充電器Simulink系統(tǒng)中的一個MPPT控制子系統(tǒng)。第一步是采樣PV輸出電壓、電流，通過零階保持器模擬實(shí)際系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集時間,把連續(xù)信號離散化處理。接著計(jì)算功率，及功率變化ΔP和電壓變化ΔV，用ΔP×ΔV的正負(fù)判斷此時功率點(diǎn)的位置，進(jìn)而確定下一步擾動的方向。如果ΔP×ΔV＞0，則表示此時電壓值小于最大功率點(diǎn)電壓，如果ΔP×ΔV＜0，則表示此時電壓值大于于最大功率點(diǎn)電壓 （參見圖4），即simulink系統(tǒng)中sign1為1時,要向負(fù)向擾動電壓；sign1為-1時，要向正向擾動電子表壓。本系統(tǒng)中的擾動步長取Cp=0.001，步長選擇較適合，可以在實(shí)際硬件控制中實(shí)現(xiàn)。

3 仿真結(jié)果分析

由于在實(shí)際環(huán)境中，光照強(qiáng)度和溫度都在不停地變化。為了使本設(shè)計(jì)方法可以應(yīng)用到實(shí)際工作環(huán)境中，本仿真系統(tǒng)給PV的光照參數(shù)設(shè)置成時間變化的參量，在仿真時選取極端情況，每隔0.4秒，光照強(qiáng)度驟變一次，分別是1000W/m2,800W/m2,1200W/m2,溫度取25℃時，輸出功率變化曲線（如圖6所示）。

圖6 PV輸出功率變化曲線（25℃）

從功率曲線圖中可以看出，基于Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的MPPT控制方法，可以適應(yīng)工作環(huán)境變化的情況,較迅速的實(shí)現(xiàn)光伏最大功率點(diǎn)充電，且振蕩在工程許可范圍內(nèi)，驗(yàn)證了此方案的正確性。

4 結(jié)語

針對光伏組件的特點(diǎn)，本文簡化的傳統(tǒng)PV組件的數(shù)學(xué)模型，以便適應(yīng)光伏路燈工程應(yīng)用中的實(shí)際需要。在Matlab/Simulink平臺環(huán)境，構(gòu)建了完整的光伏MPPT充電的模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果證明，在應(yīng)對外部工作環(huán)境突變情況時，表現(xiàn)出滿意的最大功率跟蹤性能。