独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究

欢迎引用：[5] 黄克亚. 独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究[J]. 电工电气, 2011, (2):22-25.独立光伏发电系统最大功率点跟踪原理分析及仿真研究黄克亚 1 2 1 苏州大学电子信息学院 江苏 苏州 2150212 南京铁道职业技术学院 江苏 苏州 215137【摘 要】：本论文以太阳能光伏发电系统为研究对象，以获取太阳能电池的最大功率为目标。论文通过分析光伏电池特性，推导 Boost 电路阻抗变换关系，在 Matlab 中对光伏电池、Boost 电路建模，改变 Boost 占空比寻找最大功率点。论文最后给出光伏发电系统最大功率点跟踪方案即改变Boost 占空比使得负载的等效阻抗与光伏电池阵列内部阻抗相匹配。【关键词】：太阳能电池、最大功率点跟踪、升压电路 、仿真 Principle analyze and simulation research of the maximum power point tracking Stand-alone Photovoltaic SystemHuang ke ya1 2 1 School of Electronics and Information，Suzhou University，Suzhou Jiangsu 215022 Nanjing Institute of Railway Technology， Suzhou Jiangsu 215137【Abstract】：In this paper, in order to obtain the maximum power of solar cells, photovoltaic systems were discussed and analyzed. The characteristics of photovoltaic cells were analyzed. Besides, the relations Impedance transformation of Boost Circuit was derived in this paper. We attempt to change Boost circuit duty cycle, In order to search for the maximum power point of photovoltaic systems. The last program selected for photovoltaic systems maximum power point tracing that is changing the Boost duty cycle makes the equivalent impedance of external load to match the photovoltaic systems internal impedance.【Keywords】：solar cell、maximum power point tracking 、Boost、simulation 引言：随着能源问题和环境问题的日益突出，作为清洁能源的太阳能越来越受到重视。近年来，太阳能光伏发电的研究和应用有了突飞猛进的增长，成为新能源的研究热点之一。目前制约太阳能光伏发电系统进一步发展因素主要有高昴的制造成本和较低的转换效率。众所周知，光伏系统有一个最大功率点，为有效地利用太阳能，必须进行最大功率点跟踪(MPPT maximum power point tracking)。1 光伏电池特性光伏电池无需外加电压，可以直接将太阳能转换成电能，并驱动负载工作，太阳能电池的工作机理是光生伏特效应，即吸收光辐射而产生电动势。根据光伏电池的工作原理，以及影响光伏电池工作效能的因素，我们可以用下式所示的数学方程来表示光伏电池的输出电流与输出电压的关系:(1) 0()exp1ssph hqVRIIIInKT式中:I—光伏电池板的输出电流(A)；V：光伏电池板的输出电压(V)；q：一个电子所含的电荷量(l.6x10 -19C)；K：波尔兹曼常数(l.38×10 －23 J/K)；T：光伏电池板表面温度(K)；n：光伏电池板的理想因数(n=1-5)；I 0：表示光伏电池板的逆向饱和电流。在 Matlab 中建立光伏电池数学模型 [1]，写成嵌入函数的形式，并根据数学模型，绘制不同辐照度和不同温度条件下的 I-V、P-V 曲线如图 1 所示。其中图(a)、图(c)标注为辐照度，单位为 W/m2;图(b)、图(d)标注为阵列表面温度，单位为℃。图 1 光照和温度对太阳能电池的影响从图 1 四组特性曲线可以看出辐照度主要影响太阳能电池的短路电流，温度主要影响太阳能电池的开路电压，特定光照和温度条件下光伏系统存在单峰值最大功率，这为我们进行最大功率点跟踪找到了理论依据。2 光伏阵列 MPPT 原理2.1 MPPT 原理分析光伏组件的输出存在着功率最大点，在特定的温度和光照条件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所带的负载大小，图 2 是用图解法得出光伏组件的工作点的示意图。其中 a 图是光伏组件工作时的等效电路图，b 图中曲线为太阳能光伏组件输出的电流电压（I-V）曲线，直线表示负载电阻的 I-V 特性，二者的交点即为光伏组件的工作点，工作点的电压电流既要符合光伏组件的I-V 特性又符合负载自身的 I-V 特性。如果两条线的交点不在最大功率点，此时负载和光伏组件就处于失配状态，光伏组件所产生的电能就没有被充分利用。外界的环境因素，通常是无法人为改变的，温度和光照在一天中是变化的，方阵的输出特性也随之变化，要使光伏方阵始终能够输出最大功率，必须适变其所接的负载。通常的光伏系统最大功率跟踪器，是一个 DC-DC 变换器，因此可以把光伏阵列等效看成直流电源，DC-DC 变换电路看成外部负载。光伏方阵所接的等效负载是 DC-DC变换器占空比 D 和其所带负载的函数，调节变换器的占空比就可以达到改变光伏方阵等效负载的目的，使之在不同的外部环境下始终跟随光伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时就可以获得光伏阵列组件的最大输出功率，从而实现最大功率跟踪。图 2 光伏阵列等效电路及 I-V 曲线2.2 仿真分析选择 Solarex MSX60 60W 电池阵列，其主要参数数为 Uoc=21.0V,Isc=3.74A,Um=17.1V,Im=3.5A,Pm=59.9W。在 Matlab 中建立仿真模型如图 3 所示，其中光伏电池采用嵌入函数形式。设置仿真时间为 1s，仿真算法为变步长 ode45，辐照度为 1000W/m2，温度为 25℃，使其外接电阻的变化范围为 0-10Ω，观察输出功率的变化。图 3 负载电阻改变仿真模型仿真分析发现：当负载电阻在 4.9Ω 左右的时候，系统输出功率最大。由此说明该太阳能电池模型的最佳匹配负载为 4.9Ω。参照光伏电池特性参数 Um＝17.1V，Im=3.5A，理论计算得到当前工作条件下的最佳匹配负载 Rm=Um/Im=4.89Ω。由此可见当外接负载的阻值等于光伏的电池的最佳匹配负载时系统取得最大功率。这与我们 2.1 理论分析的结论是完全吻合的。3 DC-DC 变换电路DC-DC 变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，其中二极管起续流的作用，LC 电路用来滤波。常用的 DC-DC变换电路有降压电路(Buck)、升压式(Boost)。我们选择 Boost 电路作为 DC-DC 变换电路。3.1 Boost 电路构成图 4 所示为升压式变换电路，它由开关 S、二极管 D、储能电感 L 和滤波电容 C 等组成。当开关 S 导通时，电源向电感储存能量，电感电流增加，二极管截止，电容 C 向负载供电，此时 Vl =Vi。当开关 S 截止时，电感电流减小，释放能量，由于电感电流不能突变，产生感应电动势，感应电动势左负右正，迫使二极管导通，并与电源一起经二极管向负载供电，同时向电容充电，此时Vl=Vi-Vo。所以，输出电压大于输入电压。这种变换器适用于蓄电池电压高而太阳能光伏输出电压低的情况。图 4 升压式变换器电路图Boost 变换器的优点是：①输入电流连续，对电源的电磁干扰相对较小；②开关晶体管发射极接地，驱动电路简单。其缺点为：①输出侧二极管的电流是脉动的，使输出纹波较大。②电压比永远大于 1，只能升压。3.2 升压变压器工作原理假设升压变换器电路中电感 L 值很大，电容 C 值很大，电流连续。Vi 表示输入电压，Vo 表示输出电压，il 为流过电感的电流。设 Boost 电路开关周期为 T，占空比为 D， （0-DT）时间内开关S 开通时，其电路如图 5(a)所示，输入电压 Vi 向电感 L 充电，同时电容 C 上的电压向负载供电。（DT－T）时间内开关 S 关断时，其电路如图 5（b）所示，输入电压和电感 L 一起向电容 C 充电，并向负载提供能量。图 5 升压变换器工作过程等效图在电流连续工作状态下电压关系 [2]：在（0－DT）时间内：开关管导通，电感中的电流按照直线规律上升：(2) LidivtDT在（DT－T）时间内：开关管关断，电感中的电流线形下降：(3)(1)LLoidiVt式（2）与式（3）联立可得：(4)1oiD3.3 Boost 电路阻抗变换当光伏阵列采用 Boost 电路作为 DC-DC 变换电路时，考虑 Boost 电路输出负载为纯电阻的情况，且变换器的效率为 100%，则可以对 Boost 电路阻抗的进行简单地变换。由式(4)可知 Boost 电路输入电压和输出电压关系 Vi=Vo*(1-D)，又由于变换前后功率守衡，所以 Ii=Io/(1-D)，由此可以求出等效电阻为：(5)22*(1) *(1)*(1)/iooLVDVRRDII其中:R’：BOOST 电路等效输人阻抗，D：开关占空比，R L：负载阻抗。式中不考虑 BOOST 电路电感的自身电阻。从式(5)可知，开关占空比越大，Boost 电路输入阻抗就越小。当改变 Boost 电路开关占空比，使得其等效输入阻抗与光伏系统阻抗相匹配，则光伏电池将输出最大功率，这也是利用 BOOST 电路实现最大功率跟踪的理论依据。4 Boost 电路实现最大功率跟踪仿真建立仿真图形如图 6 所示，其中光伏电池模型，Boost 电路均采用嵌入函数 [3]的形式。设置仿真时间为 1s，仿真算法为变步长 ode45，使占空比在 0-1 之间变化，观察输出功率的变化。当负载电阻分别 100Ω 和 30Ω 得到 P-D 仿真曲线如图 7 所示。图 6 Boost 电路实现 MPPT 仿真模型图 7 MPPT 仿真曲线从两组曲线上可以看出 D 在 0-1 之间变化，输出功率均存在一个最大值。观察曲线发现：负载RL＝100Ω，当 D≈0.78 时获得最大功率，根据式(5)计算等效电阻 R’=100*（1-0.78）2＝4.84Ω；负载 RL=30Ω，当 D≈0.6 时获得最大功率，根据式(5)计算等效电阻 R’=30*（1-0.6） 2＝4.8Ω；两者均与前文仿真分析中理论最佳匹配负载值 4.89Ω 十分相近。这说明：完全可以通过调节 Boost 电路的占空比，达到最大功率跟踪的目的。5 结束语论文首先分析了光伏电池的 I-V 特性，P-V 特性，表明太阳能电池确实存在单峰值最大功率点。接着分析了最大功率点跟踪原理，说明当负载阻值等于光伏电池的最佳匹配负载时系统即工作于最大功率点。随后又分析 Boost 电路结构和电压关系，并推导出 Boost 阻抗变换关系，得出只要改变 Boost 电路的占空比即可以改变等效阻抗。最后得出光伏系统最大功率点跟踪方案即改变Boost 占空比使得负载的等效阻抗与光伏电池阵列阻抗相匹配。通过 Matlab 仿真验证理论分析的正确性和方案设计的可行性。【参考文献】[1] 禹华军，潘俊民.光伏电池输出特性与最大功率跟踪的仿真分析.计算机仿真[J].2005，22(6):248~252[2] 曹旭阳. 独立光伏路灯系统 MPPT 控制器设计.[硕士论文] ．青岛：中国海洋大学.2007[3] 李维波. MATLAB 在电气工程中的应用[M]. 北京：中国电力出版社,2007