基于电导增量法光伏MPPT控制策略的研究

基于电导增量法光伏MPPT控制策略的研究
罗淅文;赵毅君;朱作滨
【摘要】依照光伏电池的电气输出特征,运用等值电路创建光伏电池的数学模型,在MATLAB/Simu-link仿真环境中建立光伏阵列通用仿真模型,借助此模型仿真得到光伏电池在不同日照强度下、不同温度下输出特性曲线族P/V和U/I特性曲线.通过分析电导增量法,利用光伏电池模型对光伏阵列的最大功率进行跟踪,并利用simulink建立基于电导增量法的MPPT控制器,最后结合BOOST升压电路、MPPT控制器、PV建立matlab仿真分析MPPT实现情况.
【期刊名称】《湖南工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(029)002
【总页数】5页(P25-29)
【关键词】光伏电池;特性曲线;电导增量法;MPPT控制
【作者】罗淅文;赵毅君;朱作滨
【作者单位】湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411104;湖南工程学院湖南省风电装备与电能变换协同创新中心,湘潭 411104;湖南工程学院风力发电机组及控制湖南省重点试验室,湘潭 411104;湖南工程学院电气信息学院,湘潭 411104;湖南工程学院湖南省风电装备与电能变换协同创新中心,湘潭 411104;湖南工程学院风力发电机组及控制湖南省重点试验室,湘潭 411104;湖南工程学院电气信息学院,湘潭411104
【正文语种】中文
【中图分类】TP181
0 引言
在太阳能光伏发电系统中，光伏电池的输出伏安特性曲线(V/I、P/V)为光伏发电系统设计的主要依据.其中，光线照射强度与温度为决定光伏电池输出特性的主要参
变量.创建光伏电池阵列数学模型，经过MATLAB/Simulink仿真得到在不一样的
光线照射强度、环境温度以及不同组合下光伏电池阵列的特性、负载能力与系统性能.为光伏系统工程设计与运用提供参照根据.
在光伏发电系统里，光伏电池的利用率始终受到大众重视.它不但和光伏电池的特
征相关，而且受到应用场所如辐亮度、载荷与温度等条件的干扰.在不一样的外部
环境中，光伏电池能够运行于不一样且仅有的功率最大处.所以，针对光伏发电系
统而言，应该找寻光伏电池的最佳运行工况，来最大程度的把光能转变成电能.因
此关于光伏电池的最大功率追踪的研究是十分有意义的.
1 光伏电池的等效模型的建立
1.1 光伏电池等效电路[1]
光伏电池事实上即是单个大面积的平面二极管PN结，其运行原理采取如图1所
示的单二极管等值电路进行阐述.当中：RL代表的含义为光伏电池外部连接的载荷；IL为光伏电池的输出电流；I为光子在光伏电池中激发的电流；RS表示串联电阻；RSh代表并联电阻；IVD是经过PN结的总扩散电流.
图1 光伏电池等效电路
1.2 光伏电池数学模型[2]
依照图1所呈现的光伏等值电路模型，可得到光伏电池的数学模型：
(1)
UOC=((T-25)Kv+1)UOCS
(2)
Vt=A(T+273)K/q
(3)
(4)
(5)
式中:q—电子的电荷，1.6*10-19C;K—波尔兹曼常数，1.38*10-23J/K;A—常数因子(取1～2)；I0—光伏电池无光照时饱和电流；Iph—光生电流；np—并联的光伏组件数；ns—串联的光伏组件数； Kt—短路电流温度系数；Kv—开路电压温度系数；RS—光伏模块串联电阻.
2 光伏阵列Simulink仿真模型
由于光伏模块生产厂家只为用户提供标准测试条件下的开路电压UOC、短路电流ISC、最大功率点输出功率Pm、最大功率点时的电流Im及最大功率点时的电压Um5个有限的产品参数.通过表1所示提供参数及上述光伏电池数学模型，建立仿真模型，如图1所示.simulink仿真模型封装成一个solar0，了解光伏电池在各种工况下的特性.
表1 光伏电池在各种工况下的特性参数单位参数单位ISC9.47 Ans36UOCS22 Vnp1Pm125 WRs0.2Um13.8 VKt0.00037Im8.9 AKv-0.0034
图2 光伏电池仿真模型
3 光伏电池仿真结果与分析
(1)相同温度、不同光照强度下光伏电池I-U、P-U曲线如图3、图4所示，
T1=T2=T3=25 ℃,G1=800 W/m2，G2=1000 W/m2，G3=1200 W/m2.
图3 不同光照下I-U特性曲线
图4 不同光照下P-U特性曲线
(2)相同光照强度下，不同温度下光伏电池P-U、I-U曲线如图5、图6所示，取G1=G2=G3=1200 W/m2；T1=25 ℃，T2=35 ℃,T3=45 ℃.
图5 不同温度下P-U特性曲线
图3、图4为维持光伏电池温度不发生变化，光伏阵列的输出随着辐亮度与载荷而改变的I-U与P-U曲线族.从此曲线族能够看到开路电压UOC随着辐亮度的改变并不明显，相反短路电流ISC就随着辐亮度存在显著的改变.P-U曲线里面的最大功率点Pm随着辐亮度的改变同样存在显著的改变.
图6 不同温度下I-U特性曲线
图5、图6为保持光照度不变，光伏电池随温度和负载变化的P-U与I-U曲线族.由该曲线族可以看到开路电压UOC线性地随温度变化，短路电流ISC随光伏阵列本体的温度有微弱的变化.最大功率点功率Pm随温度的变化也有很大的变化.
综述，从特性曲线可以看出光伏电池随辐照度和温度变化的趋势，能够看到光伏电池不但不是恒流源，同样不是恒压源，相反却是非线性直流电源.由于光伏电池呈现非线性特征，理想状况下极度难以获得十分精准的光伏电池数学模型.所以，经过数学模型的及时求算进而关于光伏系统展开精确的MPPT控制是有一定难度的.
4 电导增量法
电导增量法[3，9]流程框图如图7所示，由光伏电池输出功率随着输出电压变动而改变的规律着手，推算得到系统运行点处在最大功率点的时候电导与电导变动率间的联系，从而给出对应的MPPT计算方法.
依照光伏P-U特性曲线对dP/dU进行定量分析，考虑光伏电池的瞬时输出功率为P=IU
两边对U求导，则
当dP/dU=0时，光伏电池达到最大，那么
真实计算时把dI/dU用ΔI/ΔU相似替代，那么采取电导增量法展开最大功率点跟踪判断的根据如下所示：
最大功率点左边
最大功率点
最大功率点右边
图7 电导增量法流程框图
5 boost电路电导增量法MPPT仿真模型
取T=50 ℃，在t=1～2 s之间，光照强度由1000 W/m2下降为800 W/m2，此时MPPT控制器跟踪PV输出最大功率P及在最大功率下对应的电流和电压波形，如图8所示.
图8 boost电路MPPT仿真模型boost电路MPPT仿真结果及分析
取T=50 ℃，在t=1～2 s之间，光照强度由1000 W/m2下降为800 W/m2，此时MPPT控制器跟踪PV输出最大功率P及在最大功率下对应的电流和电压波形，如图9所示.
图9 MPPT跟踪最大功率及对应电压、电流值
图10 boost升压电路后电流、电压值
从波形可知，采用电导增量法的MPPT控制的平稳定较高.在外界环境参变量发生
改变的时候，系统可以稳定的跟踪它的改变，而且和光伏电池的特征以及参变量没有关系.步长不变的电导增量法仍然存在震荡问题，有功率损耗.经过boost升压电路后，功率基本能达到平衡.采用电导增量法能够很好地对最大功率点进行跟踪.
6 结论
对太阳能光伏系统电池建模及仿真分析，能够很好的验证光伏阵列PV的P-U、I-U特性曲线，通过电导增量法的工作原理进行分析，建立其MMPT控制器，最后应用于boost电路中.通过建立仿真模型验证了电导增量法具有稳定的跟踪性能. 参考文献
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