一种应用于光伏系统的双模式MPPT控制方法研究

作者/ 鲁兵¹ 宋桂英¹ 王云涛¹ 邱晗² 赵晓明¹ 1.河北工业大学 电气工程学院(天津 300130) 2.天津天传新能源电气有限公司(天津 300180)

摘要：光伏发电对于气象条件的依赖比较严重。为了使光伏电池产生尽可能多的电能，需要对其进行最大功率点跟踪控制。本文提出了一种双模式最大功率点跟踪控制方法，此方法结合了短路电流法和电阻增量法的优点，通过Simlink仿真可知，应用这种双模式控制方法的光伏系统在阳光突变时能够快速地重新达到最大功率点，并有效降低光伏系统在最大功率点处的震荡，减少了系统功率损耗。

引言

光伏发电因具有污染小、可再生等优点而受到世界各国的重视^[1]。当光伏系统进行发电时，其发电量受到光照强度、环境温度的影响。为了更好地使光伏系统在不同环境下尽可能发出最大功率，使用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术，在外界环境发生突变时，使光伏系统能稳定、快速地跟踪到最大功率点继续运行^[2]。

目前常用的MPPT方法有恒定电压法、电导增量法、扰动观测法等^[3-4]，这都是对光伏电池电压寻优的方法。对于Boost变换器而言，对电流进行寻优控制可以使电路性能更优越^[5]。定步长电阻增量法就是一种基于电流寻优的MPPT方法，其控制精度较高，响应速度较快。但由于其跟踪步长固定，所以跟踪的快速性和系统的稳定性不能同时兼顾。本文提出了一种双模式MPPT方法，此法结合了短路电流法和电阻增量法的优点，可以在光照突变时，快速准确地达到新的最大功率点(Maximum Power Point, MPP)，并且在MPP附近震荡较小，从而实现较为理想的控制效果。

1 光伏电池数学建模

在光伏发电系统的设计中，为了更好地分析光伏电池的性能，使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，需要建立光伏电池的数学模型。通过这些数学关系，来反映光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池等效电路图如图1所示^[6]。

从图1中可以得出以下关系式：

式(2)中，Iph是光子在光伏电池中激发的电流，I0是二极管的总扩散电流，q是电子电荷(1.6×10^-19C)，K是玻尔兹曼常数 (1.381×10^-23J/K)，T为热力学温度，RS和Rsh分别为光伏电池的串联、并联电阻，A为二极管特性因子，k为波尔兹曼常数( k =1. 38 × 10^-23J/ K) ，T为光伏电池温度。

式(2)是建立在物理原理上的实际光伏电池的解析表达式，其表达式极其复杂。为符合工程的实际应用，本文对公式(2)做两点近似处理：①由于R_S远小于二极管的正向导通电阻，因而可忽略，所以光生电流近似等于短路电流，即I_ph=I_sc;②由于R_sh非常大(KΩ)，因此，U_d/R_sh非常小，近似于开路，该项可省略。得出进一步的光伏器件的简化数学模型为：

图2为光伏电池在温度为25℃，不同光照强度下的I-U、P-U和P-I曲线，由图可知，其输出特性是非线性的，在一定的温度和光照强度下，光伏电池具有唯一的最大功率点。

根据光伏电池的简化数学模型公式(5)，用Simulink建立了光伏电池的通用仿真模型。如图3所示。

2 双模式MPPT控制方法

光伏发电厂周围气象环境的变化直接影响着光伏系统的发电效率。对光伏电池进行MPPT控制能够使得发电系统在气象环境变换的情况下时刻保持最大的功率输出。本文借鉴目前工程上常用的、研究最多的电导增量法，提出一种采用电流寻优的MPPT方法——电阻增量法，再通过与短路电流法相结合，得到一种双模式控制算法。

2.1 短路电流法工作原理

短路电流法利用光伏电池关系式I_MPP≈k×ISC(IMPP为光伏电池最大功率点电流，I_SC为光伏电池短路电流，系数k的值取决于光伏电池的特性，一般取0.78左右)进行光伏电池输出功率的控制，因此，只要知道I_SC就能使光伏电池的输出功率接近最大功率点。由图2(c)中的光伏电池P-I特性曲线可知，光伏电池的短路电流I_SC与光照强度同样有近似比例关系。因此，可以在线测得光照强度，从而得到I_sc，进而得到I_MPP。在外部光照强度突变时，应用短路电流法能使光伏电池输出功率快速达到新的MPP附近，但控制精度差。

2.2 电阻增量法工作原理

借鉴电导增量法原理，本文提出了基于光伏电池电流寻优的电阻增量法，此法继承了电导增量法的全部优点，控制精度较高，响应速度较快。电阻增量法的判断依据为：当前光伏阵列的P-I曲线斜率为零时，在MPP点;为正时，在MPP左边;为负时，在MPP右边。即：

因此，可以通过判断U+IdU/dI的符号来实现跟踪策略。假设在最大功率点处I_ref=I_MPP，光伏阵列将维持这个点直到ΔU发生变化，然后通过增加或者减少跟踪步长I_ref，达到新的最大功率点，其流程图如图4所示。其中：U(k)和I(k)为光伏电池电压和电流的采样值，U(k-1)和I(k-1)为前一周期采样值。I_ref为MPP处电流参考值，Istep为跟踪步长。跟踪步长太大，跟踪响应速度快，但在最大功率点附近会产生很大的震荡，使系统不稳定;跟踪步长太小则会使响应速度太慢。

2.3 双模式MPPT控制方法工作原理

定步长电阻增量法在外界环境稳定情况下，MPPT控制效果较好，对光伏器件的利用效果较高，但存在最大功率点处功率振荡现象。此外，在日照突变情况下，会失去对MPPT的控制能力。由短路电流法特性可知，虽然该方法控制精度差，但在外部环境突变的情况下，仍能快速使光伏器件输出功率跟踪日照的变化。为使光伏发电系统能够快速响应日照变化，且能在最大功率点处尽量减少震荡，本文提出了将短路电流法和电阻增量法相结合的MPPT控制方法，即一种双模式 MPPT控制方法。

由短路电流法原理可知，光伏电池最大功率点电流IMPP与光照强度有近似比例关系。因此，只要测得光照强度，就能得到IMPP近似值，再通过采用较小跟踪步长的电阻增量法使光伏电池组件输出电流继续向IMPP移动，最终达到最大功率点。

图5为光伏电池P-I特性曲线，当光伏电池输出电流越接近IMPP，曲线斜率的绝对值|dP/dI|越小，所以通过|dP/dI|与预先设置的阈值E比较即可判断出使用何种寻优方法。当|dP/dI|<e时，使用小步长电阻增量法;，使用短路电流法。

图6为双模式MPPT控制方法的工作流程图，具体工作过程为：①对光伏电池的输出电压U、输出电流I进行采样，计算ΔU(k) 、ΔI(k)、ΔP(k);②对|ΔP/ΔI|与阈值E比较，判断使用哪种控制方法;③上述过程不断重复直到光伏器件输出功率的两次采样误差ΔP近似等于零。由于跟踪步长I_step较小，因此，日照稳定情况下，功率振荡现象基本消除。

3 双模式MPPT方法仿真

图7为基于Boost电路的双模式MPPT控制器，采用双闭环控制。外环实现MPPT算法，得出当前条件下光伏电池组MPP的电流参考值。内环为电流控制环，MPP电流参考值作为电感电流的指令值，再采用P I控制，生成功率开关管的PWM调制信号。

应用Matlab/Simlink软件工具构建光伏发电系统MPPT仿真模型，仿真系统结构如图7所示。仿真电路中光伏电池的额定功率为50W，开路电压为15.9V，短路电流为5.4A，标准条件(1kW/m², 25℃)下的MPP电压为12.4V，电流为4.2A，负载为20Ω电阻，储能电容为50μF，输出平波电容为200μF，电感取值均为3mH，采样频率和开关频率均为10kHz。仿真采用ode23tb算法，仿真时间为0.3s，光照强度0.1s时由1000W/m2突降为800W/m²，环境温度T=25℃。基于电阻增量法、双模式法的光伏电池输出功率波形分别如图8、图9所示。

由以上两种MPPT的算法仿真进行对比，可以得到表1。

从表1可以看出，与定步长电阻增量法对比，应用双模式MPPT方法的光伏发电系统在系统启动和光照强度从1000W/m2突变为800W/m2时能够更加快速、准确地达到最大功率点，并且输出功率的振幅较小。

4 结论

本文提出了一种光伏电池输出电流寻优的MPPT控制算法——电阻增量法，并与短路电流法相结合，得到一种应用于光伏发电系统的双模式MPPT控制方法。由simulink仿真可知，此双模式MPPT控制方法结合了短路电流法和电阻增量法的优点，克服了稳态输出稳定性和动态跟踪快速性之间的矛盾，使得MPPT的快速性和稳定性都有所提高。

参考文献：

[1]高任龙,谢桦,陈宁,等.Boost电路在光伏发电系统中的应用[J].电源技术,2012,36(3):377-379.

[2]Roberto F Coelho, Filipe Concer, Denizar C Martins. A Study of the Basic DC-DC Converters Applied in Maximum Power Point Tracking[C].Power Electronics Conference, COBEP,2009,673-678.

[3]徐鹏威,刘飞,刘邦银,等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J].电力电子技术,2007,4(15):318-320.

[4]汤济泽,王丛岭,房学法.一种基于电导增量法的MPPT实现策略[J]. 电力电子技术,2011,45(4):73-75.

[5]刘文晋,王志新,史伟伟.基于双重Boost电路的大功率光伏MPPT控制器[J].光伏建筑,2010,4:45-49.

[6]王长江.基于MATLAB的光伏电池通用数学模型[J].电力科学与工程,2009,25(24):11-14.

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第59页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。