光伏系统最大功率跟踪方法的研究及其仿真

摘 要： 在分析光伏阵列的数学模型和输出特性的基础上，提出了自适应扰动控制算法。对该算法进行了理论分析，建立了光伏系统的仿真模型，并在Matlab/Simulink环境下进行仿真。仿真结果表明，系统能够快速地跟踪到最大功率点，在光照强度突变的情况下也能快速追踪到最大功率点，具有较好的控制性能。
关键词： 光伏阵列特性；最大功率跟踪；仿真

　光伏电池在太阳光照射下可以发电并带动负荷，但其生产成本偏高，发电效率较低。而利用最大功率跟踪技术可以提高太阳能的利用率，降低光伏发电系统的成本，提高光伏发电的性价比，有效地推动了光伏发电的应用[1]。目前常用的最大功率跟踪方法有扰动观察法、电导增量法等，这些方法有各自的优缺点。本文介绍了一种自适应扰动观察法MPPT控制方法并对其进行了仿真，仿真结果表明该方法具有较好的控制性能。
1 光伏电池的数学模型
　如图1所示，把光伏电池看成能稳定产生光电流Ig的电流源，与之并联的有一个处于正偏电压下的二极管及一个并联电阻Rsh。二极管的正向电流ID和旁路电流都要靠Ig提供，剩余的光电流经过串联电阻Rs流出太阳能电池进入负载Ro[2]。

　光伏电池输出特性方程为：

　式中，Ig为光生电流；Id为二极管饱和电流；q为电荷电量(1×10-19C)；A为二极管因子；K为波尔兹曼常数(1.38×10-25J/K)；T为开氏温度(K)；Vo为电池的输出电压；Io为电池的输出电流；Rs为等效串联电阻；Rsh为等效并联电阻；Tr为参考温度(K)；Idr为暗饱和电流(A)；EGo为半导体材料的禁带宽度(J)；ISCR为标准测试条件下光伏电池的短路电流(A)；KI为短路电流的温度系数(A/K)。
　本文根据光伏电池的输出特性建立仿真模型，得到了光伏电池的I-U特性曲线和P-U特性曲线。图2、图3分别为光伏电池在温度不变、光照强度由1 000 W/m2~200 W/m2情况下的I-U和P-U特性曲线，从图中可以看出光伏电池的输出功率在不同的光照强度下的变化。图4、图5分别为光伏电池在光照强度不变，温度由20℃~100℃情况下的I-U和P-U特性曲线，从图中可以看出光伏电池的输出功率随着温度的升高而缓慢减小；光伏电池是一种非线性直流电源，最大功率点随着日照情况和温度的变化而变化[3]。每条曲线都存在一个最大功率点，这个功率点对应唯一的电池输出电压。因此通过调节光伏电池的输出电压使其趋近最大功率点就可以实现最大功率点的跟踪。