基于電導(dǎo)增量法MPPT仿真研究

1、于電導(dǎo)增量法mppt仿真 研究st udy on phot ovol t ai c gener at i on syst em of mppt based on i ncr ement al conduct ance張 翔 王時(shí)勝 余運(yùn)俊 鄧 華zhang xiang wang shisheng yu yunjun deng hua（南昌大學(xué)信息工程學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程系，江西 南昌 330031）(department of electrical and automation engineering，school of information and engineering，nanchang

2、university，jiangxi nanchang 330031）摘 要：本文利用 matlab/simulink 仿真軟件，提出了以光伏電池的工程數(shù)學(xué)模型建立的 pv 仿真模型，得到不同環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度下的輸出特性仿真結(jié)果，并驗(yàn)證了其正確性。同時(shí)，對(duì)使用 boost 電路連接仿 真模塊組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行基于電導(dǎo)增量法最大功率點(diǎn)跟蹤，并計(jì)算出其跟蹤精度。關(guān)鍵詞：matlab仿真；光伏電池陣列；電導(dǎo)增量法；最大功率點(diǎn)跟蹤中圖分類(lèi)號(hào)：tm615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1671-4792（2013）02-0060-05abstract：a pv array simulation model

3、 was established, which based on its mathematical model of projectapplication, using matlab/simulink. and the results were received under different environmental temperatures and different radiations. meanwhile, mppt based on incremental conductance on done using photovoltaic power gen- eration syst

4、em by the simulation model connected with boost circuit, and tracking efficiency were provided. keywords：matlab simulation；pv array；incremental conductance；mppt 0 引言在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與 光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境諸如輻 照度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外界條件 下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)（maximum power point，簡(jiǎn)稱 mpp）上。為了最大限 度提高光伏電池輸出功

5、率和工作效率，降低光伏電 池成本，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤(maximum power point tracking，簡(jiǎn)稱 mppt)1。尤其是在外界 環(huán)境情況發(fā)生變化時(shí)，快速跟蹤到太陽(yáng)能電池板的 最大功率點(diǎn)的控制方法與技術(shù)的研究就顯得尤為重 要2-3。本文使用 matlab/simulink，建立了光伏電池陣 列的仿真模型，并將其仿真結(jié)果與實(shí)際電池陣列的 測(cè)量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證比較，同時(shí)對(duì)基于 boost 電路的1 光伏電池陣列特性分析太陽(yáng)能光伏電池通過(guò)半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)來(lái) 產(chǎn)生電能，電池組件的特性隨光照輻射強(qiáng)度和電池 溫度的變化而變化，其輸出電流電壓數(shù)學(xué)模型可 表示為4：（1）式（1）中，ip

6、h 為光生電流(a)，光伏電池單體數(shù)量級(jí)為 10-4a；io 為 pn 結(jié)反向飽和電流(a)；rs 為串聯(lián)電 阻，阻值很小，一般小于 1；rsh 為旁漏電阻，阻值比 較高，一般數(shù)量級(jí)為 k；a 為二極管品質(zhì)因子；k 為 波耳茲曼常數(shù) (k=1.38×10-23 j/k)；t 為絕對(duì)溫度(k)， t=t+273.15；q 為單位電荷數(shù)(q=1.6×10-19c)。設(shè)在某光照條件下，光伏電池的開(kāi)路電壓和短基(b) t- t 曲線圖（a）p- t 和 s- t 曲線圖圖一 實(shí)際的光伏電池各參數(shù)的變化情況曲線圖曲線其實(shí)是 15 塊串聯(lián)的光伏電池組件的數(shù)據(jù)。下面利用 matlab軟件

7、對(duì)上述工程用數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行仿真分析，其仿真模型如圖二所示。（2）式（2）中：其中，sref 和 tref 分別為標(biāo)準(zhǔn)參考光照強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)參考面板溫度，一般取 1000w/m2，25 ；uoc 和 isc 分別為開(kāi)路電壓和短路電流，um 和 im 分別為最大 功率點(diǎn)電壓和電流； 為電流變化溫度系數(shù)，單位 為 a/； 為電壓變化溫度系數(shù)，單位為 v/；rs 為串聯(lián)電阻。對(duì)于晶體硅及多晶硅太陽(yáng)電池，其實(shí)測(cè)值為 =0.00121isc，= 0.005voc；rs 阻值很小，一 般小于 16。本文是基于晶澳太陽(yáng)能公司的光伏電池組件jamg-6-60-250/si 建立光伏電池模型，其相關(guān)參數(shù) 為 uoc=

8、37.92v，isc=8.62a，um=30.96v，im=8.97a，pm=250w，電流溫度系數(shù) =+0.040%/，電壓溫度系數(shù)=-0.300%/。將電流溫度系數(shù)和電壓溫度系數(shù)通過(guò)單位換算成 =0.00366a/ ，=0.11157 v/ ，rs取 0.05。其實(shí)際的功率 p、光照幅值 s 和面板溫度 t 隨時(shí)間 t 的變化曲線如圖一所示，圖中所顯示的數(shù)據(jù)圖二 光伏陣列特性仿真模型圖其中，pv 模塊如圖三所示。圖三 pv 模塊示意圖光伏陣列特性仿真分析如下：（1） 模擬溫度為 t=25 ，光照強(qiáng)度分別為600w/m2、800w/m2、1000w/m2 的環(huán)境，得到光伏電池的 i-v、p-

9、v 特性曲線，如圖四所示。(a) i- v 特性曲線(a) i- v 特性曲線(b) p- v 特性曲線圖五 光伏電池輸出特性曲線圖(r=1000w/m2)電流的增加，但是短路電流增加的幅度很小。同時(shí)，開(kāi)路電壓對(duì)溫度的變化很敏感，溫度的升高會(huì)使開(kāi) 路電壓降低很多。由圖五(b)可知，溫度升高時(shí)，電流 少量增加，但是電壓大量降低，最終導(dǎo)致輸出功率降 低。因此，組件面板溫度是影響 mpp 輸出的另一個(gè) 至關(guān)重要的因素。通過(guò)上述分析同樣可知：圖五所顯 示的特性曲線與圖一所示的實(shí)際各參數(shù)的變化情況 相吻合。證明此光伏電池仿真模型是正確的、可行 的，可以作為研究光伏電池的有效工具，為光伏發(fā)電 最大功率跟蹤

10、系統(tǒng)的研究和算法的實(shí)現(xiàn)奠定了基 礎(chǔ)。2 電導(dǎo)增量法的研究分析光伏電池的輸出特性曲線可知，其具有很 強(qiáng)的非線性，在特定的外界條件下總存在一個(gè)最大 功率點(diǎn)。mppt 實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò) 控制策略實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前情況下光伏電池的輸出功 率。采用一定的控制算法預(yù)測(cè)當(dāng)前工況下陣列可能 的最大功率輸出，通過(guò)改變當(dāng)前阻抗來(lái)滿足最大功7(b) p- v 特性曲線圖四 光伏電池輸出特性曲線圖（t=25）由圖四(a)可知，模擬溫度為 t = 25時(shí)，光照強(qiáng)度不同時(shí)，輸出曲線是不同的。光照強(qiáng)度的變化對(duì)短路電流的影響比較大，光照強(qiáng)度的增加會(huì)引起 短路電流的大量增加，然而只會(huì)使開(kāi)路電壓有少量 增加。由圖四(b

11、)可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，最大功 率點(diǎn)的位置有所升高，光伏電池的輸出功率也隨著 光照強(qiáng)度的增加而增加，所以光照強(qiáng)度是影響光伏 電池輸出功率大小的重要因素，仿真曲線顯示的光 伏電池特性與圖一顯示的實(shí)際光伏電池特性相吻 合。(2)模擬光照強(qiáng)度為 1000w/m2，組件面板溫度 依次為 10、25、50的環(huán)境，得到光伏電池 i-v、 p-v 特性曲線如圖五所示。法、擾動(dòng)觀察法、恒電壓控制法、短路電流法、模糊控制法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。本文采用的是電導(dǎo)增量 法，該方法具有很好的跟蹤效果，控制穩(wěn)定度高，當(dāng) 外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化，且 與光伏電池的特性及參數(shù)無(wú)關(guān)8-9。采用導(dǎo)納增量法

12、進(jìn)行最大功率跟蹤時(shí)并無(wú)原理性誤差，是一個(gè)比較 理想的 mppt 跟蹤方法。電導(dǎo)增量法控制流程和其 仿真模型分別如圖六和圖七所示10。jamg-6-60-250/si 光伏電池組件。并采用 ode23tb算法，絕對(duì)誤差允許范圍可自動(dòng)調(diào)節(jié)，從 0 秒開(kāi)始仿 真，仿真時(shí)間設(shè)為 0.5 秒，mppt 控制模塊的采樣周 期取為 0.0005 秒。圖八 光伏系統(tǒng) mppt 仿真模型圖圖九所示為在太陽(yáng)能電池組 件 面 板 溫 度t=30、光照強(qiáng)度 r=800w/m2 時(shí)，采用電導(dǎo)增量算 法仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件的輸出電壓和負(fù)載 兩端得到的電壓的仿真波形對(duì)比圖。圖六 電導(dǎo)增量法流程框圖圖九 光伏組件的輸出

13、電壓和負(fù)載兩端電壓仿真波形對(duì)比圖圖十所示是在太陽(yáng)能電池組 件 面 板 溫 度 t=30、光照強(qiáng)度 r=800w/m2 時(shí)，采用電導(dǎo)增量算 法仿真的光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件的輸出功率和負(fù)載 得到的功率仿真波形對(duì)比圖。從對(duì)比上可以看出, 在開(kāi)始的一段時(shí)間里系統(tǒng) 的振蕩較大，之后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠 在最短時(shí)間對(duì) mpp 并對(duì)其進(jìn)行跟蹤，跟蹤耗時(shí)約為0.024s。在 電池組件面板溫度 t=30 、 光 照 強(qiáng) 度r=800w/m2 的情況下，其相應(yīng)的輸出功率約為圖七 基于電導(dǎo)增量法的 mppt 仿真模型圖3 基于電導(dǎo)增量法的 mppt 仿真研究目前，最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略有很多種。本 文采用

14、boost 電路結(jié)構(gòu)調(diào)整組建成電導(dǎo)增量法 mppt 光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，如圖八所示。電感 l 值為 50e-6h，電容 c1 值為 1000e-6f、c2 值為100e-6f，負(fù)載電阻 r 值為 40。在仿真模型中，pv模 塊 模 擬 的 對(duì)象還是晶澳太陽(yáng)能公司的 phase photovoltaic system with three -level boostingmppt control j. ieee transactions on power elec- tronics, 2008，23(05)：2319-2327.4傅望，周林，郭珂，等.光伏電池工程用數(shù)學(xué)模型 研究j.電工技術(shù)學(xué)

15、報(bào)，2011，26(10)：211-216.5蘇建徽，余世杰，趙為，等.硅太陽(yáng)電池工程用 數(shù)學(xué)模型j.太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2001，22(04)：409-412.6platon baltas, marine tortoleli, paul e russel. photovoltaic designer aspvd z.arizona state uni- versity, dept. of electrical and computer engineering,1988. 7李鷹，康龍?jiān)?，朱洪波，?一種新型光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤算法j.電氣傳動(dòng)，2010，40(12)：35-39.8徐明亮，唐玉蘭

16、，徐德云.在線擾動(dòng)優(yōu)化光伏 mppt 模糊控制器j. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48 (01)：216-218.9neil s.dsouza, luiz a.c.lopes, xuejun liu. comparative study of variable size perturbation and observation maximum power point trackers for pv systems j.electric power systems research，2010，(80)：296-305.10湯濟(jì)澤，王叢嶺，房學(xué)法.一種基于電導(dǎo)增量 法的 mppt 實(shí)現(xiàn)策略 j.

17、電力電子技術(shù)，2011，45 (04)：73-75.圖十 光伏組件的輸出功率和負(fù)載得到的功率仿真波形對(duì)比圖35.7331w，負(fù)載得到的功率約為 36.5051w，跟蹤精 度達(dá)到 97.89%。4 結(jié)束語(yǔ)本文利用 matlab 搭建光伏電池陣列模型，將其 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況相比較，驗(yàn)證了此光伏電 池陣列模型的正確性。再通過(guò) boost 電路連接組建 成基于電導(dǎo)增量法 mppt 光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模 型，結(jié)果表明該仿真系統(tǒng)能較好地完成對(duì)最大功率 點(diǎn)跟蹤的工作，效率為 97.89%，但在穩(wěn)態(tài)特性方面 存在較大的振蕩，有待進(jìn)一步改進(jìn)。本文在模型搭建 中，仿真模塊都是分別封裝的，可根據(jù)工程的實(shí)際需 求進(jìn)行改裝與替換。參考文獻(xiàn)1雷元超，陳春根，沈駿，等.光伏電源最大功率 點(diǎn)跟蹤控制方法研究j.電工電能新技術(shù)，2004，23 (03)：76-80.2yang c, smedkey k m. a cost effect -ive si