具有MPPT功能的光伏系统仿真

第 46 卷 第 10 期2013 年 10 月天津大学学报 ( 自然科学与工程技术版 )Journal of Tianjin University (Science and Technology )Vol.46 No.10Oct. 2013 收稿日期： 2012-03-01； 修回日期 ： 2012-09-11. 作者简介： 肖 夏（ 1971— ） ，女，博士，教授．通讯作者 ：肖 夏， xiaxiao@tju .edu.cn．DOI 10.11784/tdxb20131012具有 MPPT 功能的光伏系统仿真肖 夏，侯建富，王 钊 ( 天津大学电子信息工程学院，天津 300072 )摘 要 ： 光伏发电受制于太阳能电池较低的转换效率，使得其最大功率点的跟踪，成为提高光伏发电效率的关键．通过对太阳能电池等效电路和输出特性的分析以及对最大功率点跟踪原理的研究，利用 Matlab/Simulink ，并结合Boost 电路，构建了通用型的光伏系统仿真模型．该仿真模型采用扰动观测法跟踪太阳能电池最大功率，并对太阳能电池在环境温度、日照强度固定及动态变化情况下的最大功率点跟踪进行了仿真测试，测试当两者同时变化时，日照强度变化对太阳能电池输出功率的最大值影响比较大，其中当日照强度增大 200,W/m 2 时其输出最大功率增幅达 28%．仿真结果表明，该模型能够准确迅速地对太阳能电池的最大功率点进行跟踪．关键词 ：太阳能电池；最大功率点跟踪；扰动观测法； Matlab/Simulink中图分类号 ： TK513.5 文献标志码 ： A 文章编号 ： 0493-2137( 2013) 10-0929-05 Simulation Research on PV System with MPPT Xiao Xia ， Hou Jianfu， Wang Zhao( School of Electronic information Engineering ， Tianjin University ， Tianjin 300072 ， China)Abstract ： Due to the relatively low conversion efficiency of photovoltaic cell, the maximum power point track-ing( MPPT) is absolutely necessary for photovoltaic system. Based on the analysis of equivalent circuit and outputcharacteristic 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 thismodel with the perturb and observe method under both steady and dynamic temperature and solar irradiation. Com-pared with temperature, solar irradiation has a moreobvious impact on the output power of solar panel under dynamictemperature and solar irradiation. The output maximum power was increased by 28% when solar irradiation increased by 200 W/m 2. The results indict that the simulation model can fast and accurately track the maximum power point of photovoltaic cell.Keywords ： solar panel； maximum power point tracking ； perturb and observe method； Matlab/Simulink随着科学技术及全球经济的迅速发展， 世界对于能源的消耗需求与日俱增， 而以煤、 石油、 天然气为主的传统化石能源储量已日趋减少， 并且据预计百年左右以后传统化石能源将被消耗殆尽． 寻求可再生能源和新能源的应用， 开发高效的节能技术， 已经成为当今世界研究的热点． 太阳能以其取之不尽用之不竭的特点受到人们的广泛关注， 而光伏 ( photo-voltaic ， PV) 发电作为太阳能利用的主要方式更是成为研究的重要方向． 由于太阳能电池转换效率低、 前期投入大， 且太阳能电池的输出特性受外部环境的影响比较大， 因此充分利用太阳能电池转换后的能量是光伏系统的基本要求． 对太阳能电池进行最大功率点跟踪 ( maximum power point tracking ， MPPT ) 控制即可保证太阳能电池始终工作在最大功率点， 可有效提高太阳能电池的使用效率 [1-2] ．文献 [3-4] 中只是对太阳能电池模型在固定条件下进行最大功率跟踪的仿真， 没有能够实现当日照强度、 环境温度变化时对太阳能电池最大输出功率动态跟踪的仿真． 文献 [5] 则主要是通过 Matlab 程序对太阳能电池在不同条件下的输出特性进行仿真， 且同样没有对环境温度和日照强度变化的情况下太阳能电池的最大功率值跟踪进行仿真．· 930· 天津大学学报 ( 自然科学与工程技术版 ) 第 46 卷 第 10 期笔者在 Simulink 仿真环境中， 基于太阳能电池的等效电路模型和最大功率跟踪原理， 不仅建立了通用的太阳能电池仿真模型， 而且与最大功率跟踪功能相结合构建了光伏系统最大功率跟踪仿真模型． 该模型通过对太阳能电池电气参数如标准条件下太阳能电池的开路电压、 短路电流、 开路电压温度系数、短路电流温度系数等的设置， 能够实现当日照强度、环境温度变化时太阳能电池最大功率的动态跟踪．1 太阳能电池的工作特性当太阳能电池受到太阳光照射时， 就会产生光生电流， 光生电流流过负载就会产生端电压， 此时太阳能电池的工作情况可以用图 1 所示的等效电路模型来表示．如图 1 所示， 太阳能电池的等效电路模型由理想电流源 Iph、 反向并联二极管 D、 串联电阻 Rs 和并联电阻 Rsh 构成． 其中： I ph 为太阳能电池的光生电流； ID为太阳能电池等效二极管的反向电流； Ish 为流经太阳能电池等效并联电阻的电流； I L 为太阳能电池的输出电流； Rsh 为太阳能电池的等效并联电阻； Rs 为太阳能电池的等效串联电阻； RL 为太阳能电池的输出电阻； Uo 为太阳能电池的输出电压．图 1 太阳能电池等效电路模型Fig.1 Equivalent model of photovoltaic cell 根据太阳能电池的工作原理可知， 太阳能电池的输出特性与二极管的输出特性比较相似． 太阳能电池的 I-V 输出特性方程为L ph D shI I I I= - - ( 1)式中( )ph sc I 298 1 000GI I K T= + -? ?? ? ( 2)( )oc L sD 0 exp 1q U I RI IAKT? ?+? ?? ?= -? ?? ?? ?? ?? ?( 3)oc L sDshsh shU I RUIR R+= =( 4)式中： I sc 为短路电流， A； U oc 为开路电压， V； K I 为短路电流温度系数， A/ ℃ ； T 为外部环境的热力学温度，K； G 为日照强度， W/m 2； q 为电子电量， q= 1.6× 10- 19, C； A 为理想因子， 介于 1～ 2 之间， 无量 纲 ； K 为 玻尔兹曼常 数， K=1.38× 10- 23,J/K．由式 ( 2) 可以 看 出太阳能电池的光生电流受到外界因 素 如环境温度和日照强度的影响． 太阳能电池在不同的日照强度、 环境温度条件下对应着不同的光生电流 I ph， 并且光生电流 Iph 与日照强度成 正 比， 与环境温度成 一 定的 线 性关系 [6-7] ．而外界因 素 ， 如太阳 辐 射与环境温度， 会 显著 影响太阳能电池的工作性能， 考虑 到 两 者对太阳能电池的短路电流与开路电压的影响， 做 出 修正 为[ ]sc sc Iref( ) 1GI I K aG TG′ = + Δ + ( 5)( ) ( )oc oc V1 1U U b G K aG T′ = Δ + - + Δ? ?? ? ( 6)refT T TΔ = - ( 7)ref1GG GΔ = - ( 8)式中： K V 为开路电压温度系数， V/ ℃ ； scI ′ 为 修正 后的短路电流， A； ocU ′ 为 修正 后的开路电压， V ； Tref 为标准参 考 外部环境温度， K ； Δ T 为与参 考 温度的 差 值，K； Gref 为标准参 考 日照强度， W/m 2； Δ G 为与参 考 日照强度的 差 值， W/m 2； a、 b 均 为经 验 参数， 分 别 为0.03 和 0.2．2 太阳能电池的最大功率点跟踪原理为了减少太阳能电池转换所 得 能量的 损失 ， 提高太阳能电池的能源利用率， 一般 在光伏系统中 都 要求太阳能电池输出最大功率， 即要跟踪太阳能电池输出的最大功率点． 最大功率点跟踪技术的原理是系统通过 一 定的 算法 对太阳能电池的输出电流 或 输出电压进行控制， 从 而使 得 太阳能电池始终工作在最大功率 状 态． 图 2 所示为太阳能电池的输出功率特性 P-V曲线 ．由图 2 可知， 太阳能电池的输出功率随着其输出电压的 上升 而增大， 当输出电压 达 到 Umax 时输出功率 达 到最大值， 之后随着输出电压的 上升 输出功率开始减 小 ． 由于太阳能电池的输出特性受日照强度和温度的影响比较大， 当日照强度、 温度等外界条件 改变时， 太阳能电池的输出功率特性会随之发生变化；而且即使是在同 一 日照强度和温度下， 由于负载的不同， 太阳能电池的输出功率 也 是不同的， 所以光伏系统 一般 不 采 用将太阳能电池与负载 直接 相 连 的传统技术， 而 采 取最大功率点跟踪技术， 以 确 保太阳能电池能够输出最大功率 [8-9] ．2013 年 10 月 肖 夏等：具有 MPPT 功能的光伏系统仿真 · 931·图 2 太阳能电池输出功率特性曲线Fig.2 Output power curve of solar panel DC/DC 变换 器 可以将不可控的 直 流输入转化为可控的 直 流输出， 因此在光伏系统中 采 用 DC/DC 变换 器 可以将太阳能电池的不可控输出转化为可控的输出， 用于对 蓄 电池的充电以及对负载的 驱 动． 图 3为 升 压式 ( Boost) DC/DC 变换电路图．图 3 升压式 DC/DC 变换电路Fig.3 Boost DC/DC converter 如图 3 所示， 太阳能电池的输出与 Boost 变换 器的输入端相 接 ， Boost 电路的实现过程如下： 首先 对Boost 变换 器 输入电压、 输入电流的 信号采集 ， 而后通过最大功率 追 踪模 块 对输入电压与电流进行计 算分 析 ， 并输出用于 调 节 驱 动 Mosfet 开关管 g 的 PWM波形信号 ， 通过 调 节 Mosfet 管的高速开 启 与关 闭 ， 以改 变太阳能电池输出电压的大 小 ， 最终实现太阳能电池最大功率点的跟踪控制．本文中 选 用 扰 动 观测法 [10-13]作为 MPPT 控制 算法 ， 该 算法 的原理是 测得 太阳能电池的输出电压U( k) 与输出电流 I( k) ， 通过输出电压 U( k) 可以计 算出 占空 比 D ( k) 的值， 而输出电压 U( k) 与输出电流I( k) 的 乘积 则为其输出功率 P( k) ， 然后与前 一 时 刻测得 的输出电压 U( k－ 1) 及求 得 的输出功率值 P( k－ 1) 进行比较， 如 果① ( ) ( 1) 0P k P k- - > ， ( ) ( 1) 0U k U k- - > ， 则( 1) ( )D k D k D+ = - Δ ；② ( ) ( 1) 0P k P k- - > ， ( ) ( 1) 0U k U k- - ， 则( 1) ( )D k D k D+ = + Δ ；④ ( ) ( 1) 0P k P k- - < ， ( ) ( 1) 0U k U k- - < ， 则( 1) ( )D k D k D+ = - Δ ．如此 循 环下 去 ， 便 可使太阳能电池工作在最大功率点 附近 ． 由于 一直给予微扰 动 Δ D， 故 可以在外界环境发生变化时及时 地调整占空 比， 追 踪太阳能电池的最大功率工作 状 态． 图 4 为利用 扰 动 观测法 控制追 踪太阳能电池最大功率点的流程．图 4 扰动观测法流程Fig.4 Flowchart of perturb and observe algorithms 3 光伏系统仿真模型及仿真结果分析基于太阳能电池的等效电路模型及输出特性的研究， 在 Matlab/Simulink 环境下构建了通用的太阳能电池仿真模型， 而且与最大功率跟踪控制相结合 组成 了 可 以 实 现 最 大 功 率 跟 踪 的 光 伏 系 统 仿 真 模型． 图 5 为在 Matlab/Simulink 环境中的光伏系统仿真模型． 其中 PV 模 块 有 两个 参数输入端， 可分 别 输入日照强度 G 和环境温度 T； 而 Battery 模 块 有 两个输出端， 分 别接 在负载的 两 端．图 5 Matlab/Simulink 中的光伏系统模型Fig.5 Model of PV system in Matlab/Simulink · 932· 天津大学学报 ( 自然科学与工程技术版 ) 第 46 卷 第 10 期图 5 所示光伏系统中 PV 模型中 内 部 封装 着 包括 Uoc、 Isc、 K I、 K V 等太阳能电池的主要电气参数． 通过对 各个 电气参数的设置， 且在输入不同日照强度、环境温度条件后， 即可 获得 太阳能电池在该条件下的输出特性．选 用型 号 为 SP50-18,M 的太阳能电池进行建模仿真． 在参 考 外部环境温度 t＝ 25,℃ ， 日照强度 G＝1,000,W/m 2 的情况下， 开路电压 Uoc 为 21.42,V ， 短路电流 Isc 为 3.20,A ， 最大功率点 处 的电压值 Umpp 为17.64,V ， 最大功率点 处 的电流值 Impp 为 2.84,V ， 短路电流的温度系数 KI 为 2.08,mA/ ℃ ， 开路电压的温度系数 KV 为 － 0.071,V/ ℃ ．输入 SP50-18M 的相关电气参数， 利用构建的光伏系统仿真模型对该型 号 的太阳能电池在不同外部条件下进行仿真， 所 得 输出功率 曲线 如图 6 所示． 其中， 图 6( a) 所示为温度和日照强度固定不变的情况下太阳能电池输出功率最大值跟踪的仿真 曲线 ， 设定温度 t＝ 25,℃ 、 日照强度 G＝ 1,000,W/m 2， 从 图 6( a)中 可以 看 出由于温度和日照强度固定， 该模型在寻 找到太阳能电池的最大输出功率后， 依旧 不 停地 增 加微扰 动以 判断 该 状 态时的输出功率是 否 为最大， 因此输出功率在 50,W 附近 进行 振荡 ． 图 6( b) 所示为温度不变日照强度发生变化情况下太阳能电池输出功率最大值跟踪的仿真 曲线 ， 设定温度 t＝ 25,℃ ， 日照强度G 由 800,W/m 2 逐渐 增大到 1,000,W/m 2，可以 看 出太阳能电池的输出功率随着日照强度的 升 高而增大，由最 初 的 39,W 左右 逐渐 增大到 50 ,W ， 增大 幅 度达 28%． 图 6( c) 所示为日照强度不变温度发生变化情况下太阳能电池输出功率最大值跟踪的仿真 曲线 ，设定日照强度 G＝ 1,000,W/m 2， 温度 t 由 25,℃ 逐渐增大到 35 ,℃ ， 可以 看 出太阳能电池的输出功率随着温度的 升 高而 降 低， 由最 初 的 50,W 逐渐 减 小 到49,W ， 减 小幅 度仅为 2%． 图 6( d) 所示为在温度和日照强度同时变化情况下温度由 25,℃ 逐渐 增大到35, ℃ ，日 照 强 度 由 800,W/m 2 逐 渐 增 大 到1,000,W/m 2， 随着温度和日照强度的同时 升 高， 太阳能电池的输出功率由 39,W 逐渐 增大到 49,W， 增大幅 度为 25.6%， 略小 于温度不变日照强度增大情况下的增 幅 ． 图 6( e) 所示为温度不变而日照强度发生 突变情况下太阳能电池输出功率最大值跟踪的仿真 曲线 ， 设定光伏电池在温度为 25,℃ 条件下， 日照强度在 仿 真 时 间 为 0.5,s 时 由 1,000,W/m 2 突 变 为800,W/m 2， 可以 看 出太阳能电池最大输出功率随着光照强度的减 弱 而 降 低．（ a）温度、 日照强度固定不变（ b）温度不变、日照强度增大（ c）温度升高、日照强度不变（ d）温度、 日照强度同时变化（ e）温度不变而日照强度发生突变图 6 太阳能电池输出功率仿真曲线Fig.6 Simulation curve of output power of solar panel 2013 年 10 月 肖 夏等：具有 MPPT 功能的光伏系统仿真 · 933·4 结 语太阳能电池的输出功率与环境温度和日照强度有关， 不同的环境温度和日照强度情况下其输出功率也 不同． 因此光伏系统的建模与仿真是研究光伏系统性能的关 键 ． 本文根据太阳能电池的等效电路模型和最大功率跟踪原理， 在 Matlab/Simulink 环境下构建可实现最大功率跟踪的光伏系统仿真模型． 根据对 几种 不同情况下的仿真结 果 表 明 ， 日照强度变化对太阳能电池输出功率的最大值影响比较大， 日照强度增大 200,W/m 2 其输出最大功率增 幅达 28%； 温度变化对太阳能电池输出功率最大值影响比较 小 ， 温度上升 10,℃ 其输出功率的最大值仅减 小 2%； 当 两 者同时变化时， 太阳能电池主要受日照强度的影响． 综上所 述 ， 该模型可以动态跟踪环境温度和日照强度等参数变化下太阳能电池输出功率的最大值．参考文献： ［ 1］ Veerachary M ， Seniyu T ， Uezato K. Maximum power point tracking control of IDB converter supplied PV sys-tem[ 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 con-verters for photovoltaic power system [ C] // The 29th IEEE Annual Conference on Power Electronics Special-ists. 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 Fou rth International Conference on Compu ter Allications in Electrical Engineering CERA ． Roorkee， India， 2010：702-705. ［ 5］ 崔 岩，蔡炳煌，李大勇，等 . 太阳能光伏模板仿真模型的研究 [ J] . 系统仿真学报， 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］ 王厦楠 . 独立光伏发电系统及其 MPPT 的研究 [ D] . 南京：南京航空航天大学民航 /飞行学院， 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 岗 . 小型独立光伏发电系统的分析与设计 [ D] . 青岛：青岛大学自动化工程学院， 2009. Sui Gang. Analysis and Design on Small-Scale Stand-alone PV System [ D] . Qingdao ： College of Automation Engineering， Qingdao University ， 2009( in Chinese) . ［ 8］ 赵庚申，王庆章，许盛之 . 最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 [ J] . 太阳能学报， 2006， 27( 10) ： 997-1001. Zhao Gengshen， Wang Qingzhang ， Xu Shengzhi. R e-search on realization and principle of maximum power point tracing [ J] . Acta Energiae Solaris Sinica ， 2006，27( 10)： 997-1001(in Chinese) . ［ 9］ 李 晶，窦 伟，徐正国，等 . 光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究 [ J] . 太阳能学报， 2007，28( 3) ： 268-273. Li Jing ， Dou Wei ， Xu Zhengguo ， et al. R esearch on MPPT methods of photovoltaic power generation sys-tem[ J] . Acta Energiae Solaris Sinica ， 2007， 28( 3)：268-273( in Chinese) . ［ 10］ Hua Chihchiang ， Lin Jongrong ， Shen Chihming. Im-plementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak power tracking [ J] . IEEE Transactions on In-dustrial 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 Transac-tions 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 genera-tion system [ C] // The 6th IEEE International Conference on Power Electronics and Motion Control ． Wuhan，China， 2009： 2100-2102. 具有 MPPT功能的光伏系统仿真作者： 肖夏 ， 侯建富 ， 王钊 ， Xiao Xia ， Hou Jianfu ， Wang Zhao作者单位： 天津大学电子信息工程学院 ,天津 ,300072刊名： 天津大学学报英文刊名： Journal of Tianjin University年，卷 (期 )： 2013(10)参考文献 (13条)1. Veerachary M;Seniyu T;Uezato K Maximum power point tracking control of IDB converter supplied PV sys-tem 2001(06)2. Hua Chihchiang;Shen Chihming Study of maximum power tracking techniques and control of DC/DC con-verters forphotovoltaic power system 19983. Mohamed Khleel Khalid;Kanaan Edrees Amina A high efficiency maximum power point tracker for photovoltaic arrays2009(06)4. Chitti B B;Vigneshwaran R;Sudharshan K R A novel technique for maximum power point tracking of photovoltaic energyconversion system 20105. 崔岩 ,蔡炳煌 ,李大勇 ,董静微 ,石德全 ,胡宏勋 太阳能光伏模板仿真模型的研究 [期刊论文] -系统仿真学报 2006(4)6. 王厦楠 独立光伏发电系统及其 MPPT的研究 [学位论文 ] 20087. 隋岗 小型独立光伏发电系统的分析与设计 [学位论文 ] 20098. 赵庚申 ,王庆章 ,许盛之 最大功率点跟踪原理及实现方法的研究 [期刊论文] -太阳能学报 2006(10)9. 李晶 ,窦伟 ,徐正国 ,彭燕昌 ,许洪华 光伏发电系统中最大功率点跟踪算法的研究 [期刊论文] -太阳能学报 2007(3)10. Hua Chihchiang;Lin Jongrong;Shen Chihming Im-plementation of a DSP-controlled photovoltaic system with peak powertracking 1998(01)11. Moubayed N;El-Ali A;Outbib R A comparison of two MPPT techniques for PV system 2009(05)12. G. J. Yu;Y. S. Jung;J. Y. Choi;G. S. Kim A novel two-mode MPPT control algorithm based on comparative study ofexisting algorithms [外文期刊 ] 2004(4)13. Chao Zhang;Zhao Dean;Wang Jinjing A novel two-mode MPPT method for photovoltaic power genera-tion system 2009引用本文格式： 肖夏 . 侯建富 . 王钊 . Xiao Xia . Hou Jianfu . Wang Zhao 具有 MPPT功能的光伏系统仿真 [期刊论文] -天津大学学报 2013(10)