摘 要： 分析了光伏電池的工作特性和光伏系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理，將電導(dǎo)增量法應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制中，使系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)外界環(huán)境的變化，讓光伏發(fā)電系統(tǒng)始終工作在最大功率點(diǎn)。最后在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真，并且對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析，驗(yàn)證了該方法的正確性。
關(guān)鍵詞： 光伏電池；最大功率點(diǎn)跟蹤；電導(dǎo)增量法；穩(wěn)定性分析；Boost變換器
在光伏系統(tǒng)中，光伏電池具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度影響較大。為了提高效率，目前廣泛采用的技術(shù)是最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT（maximum power point tracking）。為了達(dá)到更好的穩(wěn)定性和更快的跟蹤速度，光伏電池MPPT控制一般選用電壓控制方式。其中Boost電路采用的是輸入端電壓控制方式，即在輸出端電壓基本恒定的情況下，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)輸入端電壓。
參考文獻(xiàn)[1-3]對(duì)電導(dǎo)增量法在MPPT中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)地論述，但缺少對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤過程及Boost升壓電路的分析。本文首先分析了光伏電池的輸出特性，然后通過Matlab/Simulink建立了整個(gè)光伏系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真。分析了定步長電導(dǎo)增量法中步長的取值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和快速性的影響，并且闡述了在該方法下功率輸出出現(xiàn)振蕩的原因，使用變步長的電導(dǎo)增量法，改善了定步長的缺點(diǎn)。最后考慮外部環(huán)境的變化，對(duì)仿真結(jié)果作出了詳細(xì)的分析，通過其P-V曲線，再現(xiàn)了系統(tǒng)進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤的整個(gè)過程。
1.2 光伏電池輸出特性
由于光伏元件為非線性元件，不能用一個(gè)固定的數(shù)值或簡單的方程式來表示其電壓與電流之間的關(guān)系。所以，光伏電池的輸出特性可用曲線的形式表示[4]，如圖2所示。
2 用于MPPT的Boost電路原理
最大功率跟蹤控制中常用的DC/DC變換器是Buck和Boost電路。由于Buck電路的輸入端工作在斷續(xù)狀態(tài)下，若不加入儲(chǔ)能電容，則光伏電池工作時(shí)斷時(shí)續(xù)，不能處于最佳工作狀態(tài)。相比之下，Boost電路只要輸入電感足夠大，可始終工作在輸入電流連續(xù)狀態(tài)。考慮到實(shí)際使用的光伏電池輸出電壓不高，則采用Boost升壓電路比較合適[5]。
由圖3可知，Boost電路是由功率開關(guān)S、二極管D、電感L、電容C和負(fù)載電阻R構(gòu)成。Boost電路輸入輸出電壓關(guān)系為：
3 MPPT算法
MPPT算法是一個(gè)自尋優(yōu)的過程[6]。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏電池的輸出電壓與電流，不斷改變系統(tǒng)工作點(diǎn)，比較光伏陣列前后的功率輸出情況，從而逐步搜索出當(dāng)前陣列的最大功率點(diǎn)。
4 仿真結(jié)果及分析
設(shè)定初始條件為標(biāo)準(zhǔn)光照1 kw/m2和常溫25℃。在初始條件下，設(shè)定電導(dǎo)增量法步長為0.01，測(cè)得其到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)所需時(shí)間為5 ms。把步長設(shè)為0.001后，測(cè)得其到達(dá)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)所需時(shí)間為32 ms。兩次仿真波形如圖5所示。由此可見，定步長電導(dǎo)增量法只能使得系統(tǒng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近，在其周圍振蕩，只是步長不同振蕩幅度不同而已。
當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí)，系統(tǒng)在0.03 s時(shí)給外界溫度一個(gè)擾動(dòng)，由25℃突變?yōu)?0℃，輸出電壓和電流的波形分別如圖6（a）、（b）中標(biāo)號(hào)為1的曲線所示。可見，溫度的改變對(duì)于最佳工作電壓影響較大，對(duì)最佳工作電流影響較小，符合太陽能電池輸出特性。
當(dāng)溫度不變時(shí)，系統(tǒng)在0.03 s時(shí)給外界光照強(qiáng)度一個(gè)擾動(dòng)，由1 000 W/m2突變?yōu)?00 W/m2，輸出電壓和電流的波形分別如圖6（a）、（b）中標(biāo)號(hào)為2的曲線所示。可見，光照的改變對(duì)最佳工作電流影響較大，電流隨光照減弱而減小，對(duì)最佳工作電壓影響較小，符合光伏電池的輸出特性。
通過Matlab/Simulink的仿真分析得出，電導(dǎo)增量法在最大功率點(diǎn)附近都有一定的振蕩，而變步長電導(dǎo)增量法能大幅度減小在最大功率點(diǎn)附近的振蕩。在外界環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的情況下，變步長電導(dǎo)增量法控制具有良好的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)；當(dāng)外界環(huán)境突變時(shí)，變步長電導(dǎo)增量法能準(zhǔn)確快速地跟蹤到太陽電池的MPP，具有良好的快速性。
參考文獻(xiàn)
[1] 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].電力電子技術(shù)，2011，45（4）：73-75.
[2] 原敬磊，張建成.一種改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量光伏電源MPPT控制方法[J].電網(wǎng)與清潔能源，2012，28（1）：75-79.
[3] 董密，楊建，彭可，等.光伏系統(tǒng)的零均值電導(dǎo)增量最大功率點(diǎn)跟蹤控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30（21）：48-53.
[4] MUTOH N， OHNO M， INOUE T. A method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（4）： 1055-1065.
[5] GLASNER I. Advantage of boost vs buck top-ology for maximum power point tracker in PV system[R]. Nineteenth Convention of Electrical and Electronics Engineers. 1996： 335-358.
[6] HUSSEIN K H. Maximum photovoltaic power tracking： an algorithm for rapidly changing atm- ospheric conditions[J]. IEEE Proceedings of Generation Transmission and Distribution， 1995， 142（1）： 59-64.