光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究

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1、第31卷第9期华电技术Vo1．31No．92009年9月HuadianTechnologySep．2009光伏发电系统最大功率点跟踪的占空比扰动法仿真研究蔡晓峰，张鸿博(1．合肥工业大学电气与自动化工程学院，安徽合肥230009；2．河南工程学院机械工程系，河南新郑451191；3．华北水利水电学院电力学院，河南郑州450011)摘要：介绍了一种光伏电池的仿真模型，分析了占空比扰动法实现最大功率点跟踪的原理。为进一步简化算法，分析了基于输出电流检测实现最大功率跟踪的可行性，说明了算法的原理和实现思路，建

2、立了Matlab仿真模型并进行了仿真验证，仿真结果证明了算法的正确性。关键词：光伏发电系统；光伏电池；最大功率点跟踪；占空比；扰动观察法；gS真模型中图分类号：TM914文献标志码：A文章编号：1674—1951(2009)09—0019—03o引言式中：，d：Io{exp[]一1}为二极管结电光伏发电技术是新能源领域最近10多年发展流，A；，为光伏电流，A；Io为反向饱和电流(对于起来的一个重要方向。由于光伏电池的输出电压和光伏单元而言，其数量级为10I4A)；q为电子电荷输出电流随着太阳辐照度和电池

3、结温的变化具有强(1．6X10C)；K为玻耳兹曼常数(1．38X10烈的非线性，因此，在特定的工作环境下存在着一个J／K)；T为热力学温度；为二极管品质因子(当T=唯一的最大功率输出点(MPP)。为了尽可能多的330K时，为2．8±0．15)；R为串联电阻(为低阻利用太阳能，所有光伏系统都希望太阳能光伏阵列值，小于1Q)；R。为并联电阻(为高阻值，数量级为工作在最大功率点上，这就在理论上和实践上提出kQ)；U为等效电压。了太阳能光伏阵的最大功率点跟踪MPPT(Maxi—为计算方便，取参数以q，则式(1)

4、变为mumPowerPointTracking)问题。，=IL～Io{exp[／l(+)]一1}一1光伏电池的数学模型。(2)光伏电池利用半导体材料的光伏效应制成，所sh谓光伏效应是指半导体材料吸收光能，由光子激发根据以上公式建立了光伏电池的Matlab仿真出的电子一空穴对经过分离而产生电动势的现象。模型，如图2所示。通过对光伏电池模型的仿真分光伏电池组件的，一特性随太阳辐照度E(W／m)析，得到某温度下太阳能电池板的输出电压、电流和和电池温度(K)而变化，即，=F(U，E，T)。根据功率特性曲线如图3

5、所示，图中MPP为太阳能电池电子学理论，光伏电池的实际等效电路如图1所最大功率点。示卜，对应的，一U函数为，=，『_一，0{exp[]一1)一R，’(1)sh，d』图2光伏电池仿真模型图1光伏电池等效电路从图3中可以看出，光伏电池具有一个最大功收稿日期：2009—05—05率点，且最大功率点受到温度和太阳辐照度的影响·20·华电技术第31卷lO987654321图5光伏系统结构这时，可以采用PWM信号占空比D作为控制变量，二者的关系示意图如图6所示I6J，对比图a输出电压电流特性曲线4、图6可以看出，干

6、扰观测法同样适用于对占空比的扰动。相对于干扰观测法，占空比扰动法由于直接把占空比作为控制变量，只需要控制一个参数，从而使控制器简单化，降低了成本。D占空比DU／V图6P—D关系示意图b输出电压功率特性曲线2．3基于输出电流检测的占空比扰动法图3光伏电池输出特性曲线文献[6]、文献[7]证明了光伏发电系统输出电会发生改变。在一定的太阳辐照度和环境温度下，流和输出功率以及输出电压和输出功率的关系为单只有使其工作在特定的电压(电流)下，才能使其输调函数关系。当输出功率达到最大时输出电压或者出最大功率。输出电流

7、也达到最大，此时可以认为输入功率也达到最大值。因此，在MPPT的算法中无需为了计算2最大功率点跟踪算法功率而同时检测输入电流和输入电压，只要检测输2．1干扰观测法出电压或者输出电流之一，通过软件算法判断是否图4所示为光伏电池的P—U特性曲线，其基达到最大值即可，笔者采用基于输出电流检测的占本工作原理为J：周期性的给光伏阵列的输出电压空比扰动法。加扰动，比较其输出功率与前一周期的输出功率的3占空比扰动法的Matlab仿真研究大小，如果功率增加则在下一个周期以相同方向加扰动，否则改变扰动的方向，以达到逼近最

8、大功率点光伏电池仿真模型已在前面介绍，这里不再赘的目的。述。MPPT模块如图7所示。MPPT模块设计的基本思想是：输出电流值的变化决定下一步占空比的变化方向。如果电流增加，在搜索方向不变，如果电流减小，则搜索方向相反。该模型采用了Matlab自定义函数EmbededMatlabFunction编写了Fsign函数，它的功能是对输入信号进行符号判别，当输人信号大于等于0时输出1，否则输出一1。模型中3个零阶保持器的采样图4P—U特性曲线时间取