基于改进MPPT的光伏发电系统仿真研究

基于改进MPPT的光伏发电系统仿真研究
刘立立;林永君;刘卫亮
【摘要】光伏发电系统中，对电源的输出功率进行最大功率点跟踪( MPPT)是极其重要的。

为了提高光伏电池的发电效率，提出了一种改进的扰动观察法进行最大功率跟踪，不仅能很快很准地跟踪最大功率，而且能使系统的稳定性得到保持。

通过对逆变器的控制策略进行研究，提出了一种双闭环控制方式，能够保持输出电压稳定，满足微网孤岛运行要求。

通过仿真结果，可以看出该方法的有效性与可行性。

%In photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking ( MPPT) is very important for power supply. In order to improve the power generation efficiency of the photovoltaic cells, an improved disturb-ance observer method is proposed for maximum power tracking, This method can not only quickly tracking the max-imum power with good accuracy, but aslo maintain the stability of the system. Based on the control strategy of in-verter, a double closed loop control method is proposed, which can keep the output voltage stable and meet the re-quirements of micro grid operation. The validity and feasibility of the method is verified by the simulation results.
【期刊名称】《电力科学与工程》
【年(卷),期】2016(032)011
【总页数】6页(P23-28)
【关键词】光伏发电;仿真;改进最大功率跟踪;双闭环控制
【作者】刘立立;林永君;刘卫亮
【作者单位】华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定 071003;华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定 071003;华北电力大学控制与计算机工程学院，河北保定 071003
【正文语种】中文
【中图分类】TM91
能源供求问题越来越严重，为了使地球环境得到改善，人们越来越重视新能源的开发和利用，尤其是可再生能源的利用[1]。

分布式发电是利用可再生的新能源(如太阳能、风能、潮汐能等)进行发电，使各种可用的能源能够得到充分地开发与利用，并且使能源的利用率得到明显提高[2]。

除此之外，还可以保护环境、节约能源。

所以分布式发电的前景很好。

光伏发电是目前研究比较多的一种发电技术，研究其并网运行和孤岛运行都具有非常重要的价值，并且应用前景十分广阔，具有无污染、可再生、资源普遍性、通用性、可存储性、分散性等显著优点[3-5]。

为了解决发电贫困区的用电问题，在西北偏远地区建立了小型光伏发电站，使太阳能得到了充分地开发与利用。

将太阳能转换为电能，不仅可以解决部分无电人口的供电问题，还可以解决边远地区的通讯问题，提高了西部地区的经济水平，且改善了生态环境。

所以研究光伏发电系统显得尤为重要[6,7]。

本文首先分析了光伏电池的输出特性曲线，然后搭建了光伏发电系统模型，逆变器控制采用电流电压双闭环控制，并在Matlab/Simulink环境中进行仿真。

光伏电池本身不具备发电能力，是通过光电效应将光能转化成电能的装置。

光伏效应就是当光伏电池受到外界光照时，其内部的电荷发生运动而产生电流和电动势的
一种效应。

光伏电池的工作原理可以用单二极管等效电路来进行描述[8]，其等效电路图如图1所示。

根据基尔霍夫电流定律能得到太阳能光伏电池产生的电流I，即：
式中：I为光伏电池输出的电流，A；Il为光伏电池产生的光生电流，A；Id为流过二极管的电流，A；Ish为流过分流电阻的电流，A。

其中流过二极管的电流为：
式中：I0为PN结的反向饱和电流，A；n为二极管理想因子，无量纲；k为玻尔兹曼常数，其值为1.380 650 5×10-23， J/K；T为光伏电池绝对温度，K；Ui：加在二极管上的电压，V。

由基尔霍夫电压定律得到：
Ui=U+IRs
式中：U为电阻Rl两端电压，V。

流过分流电阻Rsh的电流Ish满足：
由式(1)～(4)可得到描述光伏电池的伏安特性方程为：
工程应用的数学模型一般更为实用精确。

在标准实验条件(日照强度S=1 000
W/m2，光伏电池温度T=25 ℃)下，光伏电池的工程数学模型为:
其中：
式中：ISC为短路电流；UOC为开路电压；Im为最大功率点处的电流；Um为最大功率点处的电压；Pm为最大输出功率。

在非标准条件下，ISC、UOC、Im、Um、Pm要做一定修正。

根据以上公式，通过Matlab/Simulink软件，搭建光伏电池的仿真模型，如图2所示[9]。

光伏电池仿真模型中设置短路电流为2.52 A，短路电压为22 V，开路电流为2.31 A，开路电压为17.3 V，串联电阻为0.5 Ω。

在光照强度为1 000 W/m2，温度为
25 ℃时，对光伏电池模型进行仿真，得到光伏电池在不同光照强度及不同温度下
的输出特性曲线，仿真结果如图3、4所示。

仿真结果表明该模型建立的正确性。

当光伏电池的温度不变时，输出的功率随光照强度的增加而增加；当光照强度不变时，输出的功率随电池温度的增高而减小。

为了使光伏电池的工作效率得到提高，需要对其工作点进行实时调整，确保始终在最大功率点附近工作。

最大功率跟踪方法有扰动观察法、增量电导法、模糊逻辑控制法等。

其中扰动观察法是最常见的方法，其控制原理是：测量输出电压和功率，对输出电压进行扰动，继续观察输出功率的变化，根据功率的变化趋势进一步扰动[10]。

本文针对定步长扰动观察法的缺陷提出变步长扰动观察法。

改进的扰动观察法依然是对占空比进行扰动从而实现最大功率跟踪。

初始状态，功率距离最大功率点较远，此时设置一个较大的步长，这样能使系统更快地跟踪到最大功率[11，12]。

在系
统运行过程中，通过检测得到采样时刻t2与上一时刻t1的功率，通过计算得到两者的功率差ΔP，将ΔP与0进行比较：若ΔP大于0，说明t2时刻的功率比t1
时刻的功率大，根据PU特性曲线，可以看出此时的功率在最大功率点左侧，这时应该继续增大光伏电池电压U，使功率继续增加，所以就继续按照原占空比进行扰动；若ΔP小于0，说明t2时刻的功率比t1时刻的功率小，根据PU特性曲线，
可以看出此时的功率在最大功率点右侧，应该减小光伏电池电压U，使功率回到最大功率点。

如果还采用较大的步长，系统的输出功率又回到最大功率点左侧，这样功率就会在最大功率点附近来回摆动，就不能跟踪到输出的最大功率。

为了使该问题得到解决，首先设置一个较小的正值ε，当ΔP小于ε时，就认为达到了最大功
率点，避免了频繁工作。

然后进行扰动，当ΔP小于0时，可以减小步长至原来的1/2，这时功率值就会回到一个比较大的值，继续进行扰动。

每当ΔP<0，并且步
长未达到设定的最小值时，步长就减小一次，在理想情况下系统就会快速准确地找
到最大功率点，实现MPPT，并且使系统保持稳定。

根据改进的最大功率跟踪原理，改进的扰动观察法的流程图如图5所示。

图中Δ表示的是扰动步长。

根据流程图，在Simulink中搭建的仿真模型如图6所示。

光伏系统主要有光伏电池模块、最大功率跟踪模块、PWM模块、逆变器模块等。

其电路框图如图7所示。

根据以上框图，在Matlab/Simulink中搭建光伏系统仿真模型，如图8所示。

最大功率跟踪算法采取改进的扰动观察法，控制器采用双闭环控制方式。

PWM控制器的频率，对开关损耗具有很大的影响。

频率过高，开关损耗会增大，降低其使用寿命；开关频率过低，可控性强，但是造成的谐波较大。

综合考虑，本文选用开关管为IGBT，开关频率设置为20 kHz。

在光伏系统中，开路电压、开路电流、短路电压、短路电流以及串联电阻等参数设置如表1所示。

为了验证改进的最大功率跟踪方法的效果，将其与传统的最大功率跟踪方法比较。

当最大功率跟踪分别为变步长和固定步长，其跟踪效果有明显的差别。

当改变外界环境时，光伏电池输出的功率也会随之改变。

图9表示的是当光照强度为1 000 W/m2、温度为25℃(标准情况)的结果；图10表示的是光照强度在0.1 s增加到1 200 W/m2、温度为25℃的结果；图11表示的是光照强度为1 000 W/m2、温度在0.1 s增加到55℃的结果。

根据仿真结果，可以看出，当MPPT使用固定步长的扰动时，有很大缺点，步长的设置将是一个难点。

如果步长设置太大，虽然跟踪速度比较快，但是输出功率会在最大功率点附近来回变波动，其稳定性较差，对系统性能有一定影响；如果步长设置过小，虽然稳定性好，但其跟踪速度又会变慢。

而变步长扰动观察法能克服定步长的缺点，能够快速准确地跟踪最大功率，提高光伏电池的发电效率。

逆变器控制方式采用双闭环控制，控制电路框图如图12所示。

相对于电压单闭环
控制，双闭环控制具有更好的性能。

电流内环是为了提高系统的动态响应，电压外环是为了实现电压的无静差控制。

仿真参数设置如下：负载采用50 Ω阻性负载；电流内环采用P控制，选择Kp为0.3；电压外环，采用PI控制，参数设置：
Ki=0.3，Kp=0.1。

负载两端的电压电流波形如图13、14所示。

从仿真结果可以看出，开始时系统还未进入稳态运行，逆变器输出电压有一个小的波动。

当系统稳定时，负载两端电压稳定在给定值。

当光照强度和温度变化时，光伏电源的输出功率会随之发生变化，但由于电容的储能，系统根据负载需要输出相应的电压。

逆变器双闭环控制具有较快的动态响应和较高的稳定性。

独立光伏发电系统中，电压谐波含量是分析的重点，此系统中，负载电压谐波含量(THD)值如图15所示。

从仿真结果可以看出，负载电压THD值为0.21%，符合微网孤岛运行要求。

分析了光伏电池的等效电路，并利用 Matlab/Simulink 软件，搭建了光伏发电系统仿真模型，并对其输出特性进行分析。

利用改进的扰动观察法跟踪光伏电池输出的最大功率，通过仿真结果可以看出在不同阶段采用不同的步长，可以使系统更快更准确地跟踪光伏电池输出的最大功率，克服了传统MPPT的缺点，并且使系统输出功率更加稳定。

逆变器控制采用双闭环控制，电流内环能够提高系统的动态响应，电压外环能够实现电压的无静差控制。

仿真结果表明，双闭环控制具有较好的控制效果，系统输出满足孤岛微网运行要求。