光伏发电系统改进复合算法

李 锋，刘春生，徐晓淳

(南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京 210016)

0 引言

太阳能电池的输出特性具有明显的非线性，随着光照、温度等不同而变化［1］。为了提高发电效率，有必要对太阳能电池阵列最大功率点的跟踪控制进行研究。

CVT跟踪精度差，只能近似在最大功率点附近工作。INC法和P＆O法均采用定步长的方式，难以兼顾跟踪快速性以及系统稳定性两方面的要求［2］。采用单一方法跟踪的系统，一般存在启动特性较差、跟踪过程不稳定、精度不高、最大功率点振荡等问题。将各种最大功率点跟踪控制方法进行有机结合，取长补短，使其更好地满足实际需求，是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究方向。

1 光伏电池仿真分析

要实现光伏发电系统及其MPPT的仿真，首先对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。利用简化光伏电池输出特性方程在Matlab中建立其工程仿真模型［3-5］。当温度为25℃、光照不同时，光伏电池的P-V曲线如图1所示。对光伏电池的输出特性进行分析得出:(1)最大功率点电压约为开路电压的76%;(2)输出功率在某一点达到最大值，该点即为光伏电池的最大功率点(MPP)，且随光照强度的增加而增加。

图1 T=25C°时不同光照P-V曲线

2 最大功率点跟踪原理

为了使光伏电池在不同温度以及光照强度条件下输出尽可能多的功率，在光伏电池和负载之间接人一个阻抗变换器，使得负载的输入阻抗与太阳能电池的输出阻抗总是处于最佳的匹配状态［5-6］。本文在光伏系统中使用升压变换器(Boost电路)连接光伏电池与负载。调变换器的占空比，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最大输出功率。

3MPPT控制算法

为了使光伏电池尽可能地工作在最大功率点，需要使用最大功率点跟踪(MPPT)控制算法。现阶段的每一种跟踪方法都有各自的优缺点，其终极目标都是希望能最快找到最大功率点，同时尽量少地消耗硬件资源。恒定电压法、扰动观察法、电导增量法都是目前最常用的跟踪算法［7-11］。

3.1 恒定电压跟踪法

恒定电压跟踪法是利用太阳能光伏电池输出最大功率时，工作电压与开路电压存在近似的比例关系这一特性的控制方法。根据学者的验证其最大功率点Vm=0.76Voc，此时光伏阵列即近似工作在最大功率点，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制。此方法控制简单较实用，但是精度不高。

3.2 电导增量法

电导增量法是通过比较太阳能阵列的瞬时电导和电导变化量来实现MPPT控制的。该方法虽然真正意义实现了MPPT，但是固定步长难以兼顾跟踪精度和速度。

3.3 改进型电导增量法

鉴于传统INC算法存在的缺点，本文对其进行了改进，提出固定电压法和自适应变步长自适应增量电导法［12-13］相结合的复合控制方法［14］。

基本原理为:在开始阶段采用恒压法，快速调整占空比使得输出电压定位在开路电压的0.76附近，然后执行变步长增量电导算法。当距最大功率点比较远时，步长取较大值，跟踪速度加快;当距最大功率点比较近时，步长取较小值，慢慢接近最大功率点;当非常接近最大功率点时，稳定在该点工作，其中的dP/dU为一个自调整因子，由图2可知当工作点偏离最大功率点稍远时，dP/dU随之增大，以较大步长调整工作点电压;当工作点与最大功率点接近时，其随之减小，以较小的步长调整工作点电压。通过设置合适的A，同时结合INC法跟踪精度高的优点，可以在MPPT过程中实现自适应变步长跟踪，从而提高最大功率点的跟踪精度。其具体流程图如图2所示。

图2 改进电导增量法流程图

图3 改进电导增量法仿真模型

4 仿真实验与分析

利用Matlab/Simulink构建光伏电池模型、Boost变换器拓扑和控制算法各个模块，系统仿真模型如图3所示。其中采用的改进增量电导算法利用Matlab中的Embedded Matlab Function模块进行编程实现。

光伏电池采用功率为25W(开路电压为21.6V，短路电流为1.2A)的型号。Boost电路中电感L=5mH，电容 C=470uF。仿真时间设定为 0.8s。0.4s以内光照强度设置为500W/m2，大于0.4s光照强度突变为1000W/m2。得出的仿真结果如图4所示。

图4 改进算法仿真结果图

由图4可知，在很短的时间内光伏电池的输出功率达到最大值，并且后面时间里一直保持在最大功率点附近，稳态振荡很小。图4(b)的稳定功率值就是图4(a)的最大点，当在0.4s时光照发生突变，系统也能够很好地快速追踪到最大功率点。

5 结束语

本文通过对太阳能电池功率-电压曲线的分析，并结合太阳能最大功率跟踪原理，提出一种改进的自适应变步长复合法实现光伏系统的最大功率跟踪，并在Matlab/Simulink软件环境下仿真分析，结果表明:改进的CVT启动变步长电导增量法改善了启动特性，具有控制精确、响应快的特点。最后通过实验验证了该算法的可行性。

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