光伏电池及MPPT控制器建模与仿真

中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 E-146 光伏电池及 MPPT 控制器建模与仿真安海清，张韶光，贾秀芳华北电力大学电气与电子工程学院Email: anhaiqing1990@163.com 摘 要： 本文分析了一种光伏电池工程用数学模型， 并利用 PSCAD/EMTDC 软件构建了光伏电池的仿真模型。在对光伏系统常用的恒定电压法、扰动观测法和电导增量法这三种 MPPT(Maximum Power Point Track)算法进行了简单的比较和分析后， 最终选择了电导增量法作为光伏系统的 MPPT 控制方案，并进行了仿真分析。仿真结果表明，所建立的光伏电池模型能够很好地模拟实际光伏模块特性，系统也可以稳定快速追踪最大功率点 (Maximum Power Point ， MPP)，具有较高的跟踪精度结果。关键词： 光伏电池；最大功率点跟踪；电导增量法；仿真模型Modeling and Simulation of Photovoltaic Battery and MPPT Controller An Haiqing, Zhang Shaoguang ， Jia Xiufang 1 North China Electric Power University ， Institute of Electrical and Electronic Engineering Email : anhaiqing1990@163.com Abstract: The mathematical model of photovoltaic battery was discussed in this paper, and the simulation mode of photovoltaic battery under PSCAD/EMTDC environment was established. The constant voltage trace, the perturbation and observation and the incremental conductance method of these three MPPT (Maximum Power Point Track) algorithm which are commonly used in PV systems were simply compared and analyzed in this paper. The incremental conductance was selected as the MPPT control method of PV system. Simulation results show that the established photovoltaic cell model can simulate the actual characteristics of the photovoltaic module .The maximum power point (Maximum Power Point, MPP) can be quickly tracked in the systems and the results are quite accurate. Keywords: photovoltaic battery; MPPT; incremental conductance; simulation model 1 引言随着世界经济的发展，人口不断增加，化石能源消耗殆尽，能源危机日益严重。在这样的背景下，太阳能作为一种清洁可再生能源，取之不尽用之不竭，引起了各国政府的重视，太阳能光伏发电产业因而得到了快速的发展。 一方面，由于大多数光伏发电系统都是基于经验公式进行设计的，为了对整个设计系统进行验证和优化，有必要研究适用于光伏发电系统工程设计应用的仿真模型。光伏阵列是光伏发电系统的核心部件，而光伏阵列是由若干光伏电池单元串并联组成，所以在光伏发电系统中，对太阳能光伏电池单元仿真模型的研究至关重要 [1-4] 。 另一方面，对于分布式发电系统，必须适时追踪最大功率点以最大限度利用能量，也就是我们所熟知 的最大功率点追踪问题（ MPPT）。当前，有三种基本的 MPPT 方法： 恒定电压法 （ CVT， Constant Voltage Trace ） 、 扰 动 观 测 法 （ P&O, Perturbation and Observation ） 和 电 导 增 量 法 （ INC, Incremental Conductance）。其中，电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好 [5-6] ，因此本文选用电导增量法作为系统控制算法。2 光伏电池仿真模型光伏电池模型主要分为物理模型和外特性模型两大类 [7] 。物理模型主要通过分析光电转换具体过程实现，其模型较为复杂。外特性则是根据其运行输出特性分析，得到等效模型电路。由上所述，利用光生伏特效应原理制成的光伏电池， P-N 结是其工作原理核心，每个光伏电池单元的外特性模型主要部分可看成是一个恒电流源与一个正向二极管的并联回路。单个光伏电池的输出特性方程为：[ ]{ }0 exp ( ) 1 ( )S s s shI I I qU RI nkT U RI R= - + - - + (1) 资助信息： 河北省自然科学基金 (E2011502097) ； 中央高校基本科研业务费专项资金资助 (12MS145) 。中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 E-146 其中， I 为输出电流， U 为输出电压， Is为光伏电池内部光生电流， I d 为光伏电池内部暗流，这里以二极管饱和电流代替， T 为光伏电池温度， q 为电子电荷 (1.6 × 10-19C)， k 为玻耳兹曼常数 (1.38 × 10 J/K)， RS为光伏电池内部的等效串联电阻，一般小于 1? ， Rsh为光伏电池内部的等效旁路电阻，一般为几千欧姆。光伏电池等效电路模型的典型形式是单二极管形式，如图 1 所示。SI dI shI IsRshR LR U图 1. 光伏电池单元的等效电路模型 工程用模型是利用了光伏电池外特性数学模型，其特点是采用简单且易获取的参数拟合光伏电池的输出特性，适用于对电池外部特性进行仿真研究。在实际应用中，电池厂商提供标准环境下电池的短路电流Isc，开路电压 Uoc，最大功率电压 Um和最大功率电流Im 四个参数。这四个参数与电池的输出特性曲线有紧密的对应关系。以此为基础构成的数学表达式，再根据环境修正输出特性即得到工程用光伏电池模型 [8]。 考虑到太阳能辐射变化和温度影响时：21(1 ( 1))ocU C UscI I C e= - - (2) 21 (1 )m ocU C Um scC I I e-= - (3) 2 ( 1) ln(1 )m oc m scC U U I I= - - (4) refT T TΔ = - (5) 1refS S SΔ = - (6) (1 )sc sc refI I S S a T= × × + ×Δ (7) (1 )m m refI I S S a T= × × + ×Δ (8) (1 ) ln( )oc ocU U c T e b S= × - ×Δ + Δ (9) (1 )ln( )m mU U c T e b S= × - ×Δ + Δ (10) 其中， Isc 为短路电流， Uoc 开路电压， Um 和 Im 分别为最大输出功率点电压和电流； a=0.0025/℃， b=0.5，c=0.0028/℃。式中 Sref 和 Tref为标准环境下太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为 1 kW／ m2 和 25℃。考虑光照强度、环境温度等变化对光伏电池的影响，利用公式 (2)-(10),在 PSCAD 软件中建立了光伏电池仿真模型。该模块有 3 个输入量，分别为：光照强度 S、环境温度 T 、输入电压 Upv 。 2 个输出量：输出电流 Ipv 和输出功率 Ppv。 图 2 所示为光伏电池封装后模型。图 2. 光伏电池封装模型 该模型的其中四个输入端，分别输入标准环境(S=1000W/m2， T=298K)的太阳能电池参数： I sc=3.23A，Uoc=21.5V， Im=2.86A， Um=17.5V。图 3 为该仿真模型的输出特性。可以看出，该模型很好地模拟了光伏电池的输出特性，为后面的研究工作打下了坚实的基础。图 3(a) 不同光照光伏电池 U/I 和 U/P 特性曲线 5 10 15 20 25010203040506052550电压 /V图 3(b) 不同温度光伏电池 U/I 和 U/P 特性曲线 3 MPPT 控制器仿真模型3.1 光伏系统 MPPT 原理 [9]在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关，还受使用环境如辐射强度、温度和负载等因素影响。在不同的外界条件下，光伏电池可以运行在不同且唯一的最大功率点 (MPP)上。中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 E-146 因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，最大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术 (MPPT)。 常用的 MPPT 方法有以下三种：(1) 恒定电压法 (CVT) 由图 (3)可知， 在辐射强度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出 P/U 曲线上的最大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池的电压控制在其最大功率点附近的某一点电压处，光伏电池将获得近似的最大功率输出，这种MPPT 控制方法为恒定电压法。恒定电压法虽然设计思想和结构简单，但是应用具有很大的局限性，通常适用于功率较小，日照情况稳定，外界温度变化小的独立光伏系统。(2) 扰动观测法 (P&O) 扰动观测法的基本思想是：首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后再该电压基础上加一个正向电压扰动量，再次检测光伏电池的输出功率。若所测输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点右边，可以继续增加正向扰动电压；若所测输出功率降低，则说明最大功率点在当前工作点左边，应该反向增加扰动电压，使工作点左移。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内，即可认为达到了最大功率点。(3) 电导增量法 (INC) 电导增量法从光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的 MPPT 算法。这种方法控制精确，响应速度快，适用于光照强度不断变化的情况，但对硬件，特别是传感器要求比较高。3.2 Boost 变换电路实现 MPPT 常采用的基本斩波电路有降压斩波(Buck)型电路和升压斩波 (Boost)型电路， 但 Buck 电路有一个最大的问题：输入电流不连续。对于光伏发电系统来说，如果光伏电池的输出电流不连续，那么将会损失一部分能量。同时，从方便扩容的角度来说，多数光伏电池的输出电压都比较低，而大多数负载都需要工作在更高电压等级上，因此具有电压提升功能和输入电流能连续工作的 Boost 电路更多的用来作为光伏系统的最大功率点跟踪器。图 4 为 Boost 变换器的原理电路。图 4. Boost 变换器的原理电路图 假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程无功率损耗， D 为开关管的占空比。由 Boost 电路输入输出的电压关系可知：( )out in= 1U U D-Boost 电路的输出往往接蓄电池或者逆变器的直流侧，在相对较小的系统采样时间内， Boost 电路的输出电压变化很小，可视为恒定，故又可得：( )in out= 1U U D-可以看出改变开关管的占空比 D 就能找到光伏电池在最大功率点处的电压 Um， 从而使光伏发电系统工作在最大功率点处。3.3 MPPT 控制方法实现本文选择电导增量法，该方法在光照强度或环境温度发生改变时，能够平稳迅速地跟踪最大功率点。而且在最大功率点处的振荡要比扰动观察测法小，降低了系统的功率损失。图 5 为光伏电池工作特性曲线。d0d pvpvUP =d 0dpvpvUP> d0d pvpvUP <图 5 电导增量法算法原理图 由图可知，最大功率点处的光伏输出功率 Ppv 与输出电压 Upv满足条件：( )dd d 0d d dpv pvpv pvpv pvpv pv pvP IP II UU U U= = + = (11) 由此可得：d d 0dpv pvpv pvI I G GU U+ = + = (12) 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 E-146 上式中， G 为输出特性曲线的点到； dG 为电导 G的增量。增量 dUpv 和 dIpv 可分别用 pvUΔ 和 pvIΔ 近似代替。图 6 为电导增量法控制流程图。 其中 UΔ 和 IΔ 分别为当前采样和上一次采样所得电压和电流变化量，计算判据中的 G 和 dG为电导和电导增量； Uref1 和 Uref2分别为当前控制周期和下一控制周期的电压参考值。图 6 电导增量法 MPPT控制流程图 根据电导增量法原理在 PSCAD/EMTDC 环境下搭建了 MPPT 控制器的仿真模型， 封装后如图 7 所示。该模型的两个输入为光伏电池的输出电压 Upv 和输出电流 Ipv，输出为参考电压 Uref。然后将 Uref 与光伏电池输出电压的实时采样值 Upv 相减，并经过 PI 调节器进行输入电压闭环控制。所得信号 Vref 与三角载波信号比较后生成 PWM 信号的占空比 D，改变 PWM信号的占空比 D 就可以改变光伏电池的输出电压， 从而跟踪光伏电池的最大功率点，最终实现光伏电池的MPPT 控制。图 7 MPPT 控制器封装模型 4 光伏发电系统仿真结果分析根据前面搭建的光伏电池和 MPPT 控制器的模型可以搭建具有 MPPT 功能的光伏发电系统的仿真模型。用光伏电池作为电源，通过 Boost 电路向直流负载供电，以此来验证这两个模型的有效性。现 选 仿 真 的 光 伏 电 池 参 数 ： Um=17.5V ，Im=2.86A,Uoc=21.5V， Isc=3.23A。保持光伏电池温度T=298K 不变，光照强度 S 从 0s 时的 1800W/m2 ，依次变化至 2.5s 时的 1000W/m2， 5.5s 时的 500W/m2，6.5s时的 800W/m2 和 8s 时的 1300W/m2。仿真时间设为 10s，使用电导增量法进行仿真。电导增量法的步长设置比较讲究：步长过大，跟踪的误差比较大；步长过小，跟踪的速度较慢。因此，综合考虑以上因素后本文设定的步长为 0.01V。光伏发电系统仿真结果如图 8 所示。电流/A图 8(a) 光照强度变化时光伏电池输出电流 图 8(b) 光照强度变化时光伏电池输出电压 功率：P/w图 8(c) 光照强度变化时光伏电池输出功率 中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学， 2013 E-146 由图 8(b)和 (c)可以看出： 经过很短的时间后光伏电池的输出电压工作在参考电压附近，输出功率稳定在最大功率点附近。而且在光照强度发生突变时能够迅速跟踪到新的工作电压点和最大功率点，输出波动很小。 证明 MPPT 控制器实现了最大功率点跟踪功能，而且具有良好的控制性能。5 结论(1)根据光伏电池的工程用数学模型， 设计了光伏电池的 PSCAD 仿真模型。仿真结果表明，该模型可以模拟不同的环境条件下光伏电池的 U/I 和 P/U 特性。(2)MPPT 控制器仿真模型能够实现最大功率点跟踪功能。导纳增量法能够较好实现最大功率点跟踪的控制。不仅能够快速地跟踪最大功率点，而且到达最大功率点后几乎没有波动，具有良好的动态、稳态性能。(3)本文设计的光伏电池和 MPPT 控制器的仿真模型不但可以模拟光伏电池在各种光照强度和环境温度下的输出特性，还能实现光伏发电系统的最大功率输出。为进一步研究并网型光伏发电系统打下了一定的基础 [10-15] 。参考文献[1] Nicola Femia, Giovanni Petrone, Giovanni Spagnuolo, Massimo Vitelli.Optimization of Perturb and Observe Maximum Power Point Tracking Method. 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