光伏电池工作特性仿真研究及最大功率跟踪方法比较

袁 韬，易 斌，毛龙波，米红菊（中国人民解放军后勤工程学院，重庆401131）



光伏电池工作特性仿真研究及最大功率跟踪方法比较

袁 韬，易 斌，毛龙波，米红菊
（中国人民解放军后勤工程学院，重庆401131）

摘 要：用MATLAB软件对光伏电池进行仿真建模，得到输出电压与输出功率的仿真曲线。比较了几种常用的最大功率跟踪算法，对其优缺点进行了分析。

关键词：太阳能；最大功率跟踪；算法；光伏电池

1 光伏电池的工作特性［1］

太阳能电池的输出特性是光伏电池性能评价的一个重要指标。确定其数学模型，能够对不同温度、光照等情况下的输出特性进行模拟，确定合理的参数，对于光伏电池最大功率跟踪器的研究具有相当重要的意义。

1.1发电原理——光伏效应［2］

光伏电池的本质就是一块大面积的半导体二极管。如图1所示，当光伏电池中的半导体上没有光线照射时，其电气特性表现为二极管特性。一旦受到光线照射，光电流将使光伏电池特性曲线向逆电流方向平移（光传输特性）。光伏电池的实际输出电压－电流曲线可以通过在电池两端连接一变阻器，改变电阻得到电压－电流曲线。

图1　掺杂质的半导体光伏发电原理

1.2发电仿真［3］

根据图1所示的硅型光伏电池的简化模型，利用MATLAB的SIMULINK工具建立光伏电池发电仿真模型。不同单个光伏电池等效电路参数值如表1所示。把其中的参数——光照强度S、电池板表面的绝对温度T等作为已知常量，得到输出电流I与输出电压U的函数图形，以及输出功率P与输出电压U的函数图形，并对这些图形做定性分析。

表1　不同单个光伏电池等效电路参数值

已知太阳光照强度S为100～900 W·m－2，光伏电池的绝对温度为T＝48.3＋273＝321.3℃，开路电压UOC＝18.8 V，短路电流ISC＝3.60 A。从而求得反向饱和电流I0＝1.526×10－7A。得到的仿真图形如图2所示。

图2　P－U曲线

从仿真曲线可以看出，当光照强度一定时，输出功率随着输出电压的变化而变化；当光照强度增大时，相同电压下的输出功率也会随之增大。由此可见，如果能及时对光伏电池的输出电压进行控制，使系统在任何外界条件下都能够跟踪到最大功率，就会避免能量的损失和浪费［4］。

2 最大功率跟踪方法比较［5］

光照强度和工作温度是影响太阳能电池输出功率的关键因素。二者对光伏阵列的短路电流和开路电压有很大的影响，这就使得太阳能的功率输出变得不确定。由此，系统的工作点也不确定。为了提高系统的工作效率，光伏电池在最大功率跟踪点工作是必需的。

由光伏电池的P－U曲线（见图2）可以看出，当光伏序列的工作电压小于最大功率点对应的电压时，其功率随着电压的增大而增大；当光伏序列的工作电压大于最大功率点对应的电压时，其功率随着电压的增大而减小。因此，对光伏序列最大功率的控制实际上就是一个自寻优的过程，即通过寻求最合适的工作电压，来实现在不同的工作环境下始终保持功率的最大输出。

对于最大功率跟踪控制，国内外已有很多专家进行了探讨和研究，常用的最大功率跟踪控制算法可以分为直线近似法、功率回授法、实际测量法、扰动观察法等几类。以下分别介绍这几种控制算法，并且比较各自的优缺点。最大功率跟踪控制系统示意图见图3。

图3　最大功率跟踪控制系统示意图

2.1直线近似法

在众多的控制算法中，直线近似法控制算法是目前比较新的一种控制算法。其控制原理是根据太阳能电池的输出功率特性表达式，利用数学逻辑表达式，求解得到如下表达式

则式中：V为输出电压；ISC为短路电流；I0为反向饱和电流；Iph为光生电流；IL为流过负载的电流；RS为串联电阻；q为电荷。

对式（2）中的IL进行微分，在其等于0时，光伏电池工作在最大功率点，此时输出功率Pmax和输出电流的关系是：

用一条直线表示近似在确定温度下和不同的光照强度下的最大功率使工作点始终保持在这条直线上，这样就可以实现功率的最优化。

直线近似法是运用光伏电池精确的数学模型，然后根据数学模型来推导最大功率跟踪点的工作直线。由此可见，这种控制方法对光伏电池的数学模型以及光伏电池的一些工作参数有很强的依赖性。

2.2恒定电压法［6］

恒定电压的跟踪方式，严格来说不是真正意义上的最大功率跟踪控制方法，而是一种曲线拟合。可以从光伏电池的工作曲线看出，电池的最大功率一般出现在VOC为0.75～0.9 V或者ISC为0.85～0.95 A时。这与光伏电池的制造工艺以及设计的结构有相当大的关系。也就是说，当一个光伏电池的结构等确定后，其开路电压就确定了，电池的最大功率工作点也随之确定。只要将电池的输出电压控制在这个工作点上，就大致可以保证电池的输出功率为最大输出功率，这就是恒定电压法的理论依据。但是，这种控制方式没有考虑温度对太阳能序列的开路电压造成的影响。拿单晶硅太阳能电池来说，当工作温度升高1℃时，电池的开路电压就下降0.35%～0.45%。这就表明随着工作温度的变化，太阳能序列的最大功率对应的电压也会变化。因此，对于四季温差较大或者日温差大的地区，不适合使用恒定电压控制法来实现最大功率跟踪。

由于恒定电压控制方法具有控制简单、稳定性能好、可靠性高、容易实现等优势，而且比不加控制的光伏系统可以多获得20%的电能，比不带这种控制的直接耦合方式要有利得多。因此，这种方法目前在光伏系统中的应用比较普遍。但是随着数字信号处理技术的发展，这种电压控制方式将逐渐被其他方式取代。

2.3增量电导法［7］

增量电导法是根据太阳能电池阵列P－U曲线为一阶连续的可导单峰的曲线特点，利用一阶导数求极值方法，即对P＝UI求导数，就可以得到

左右两边同时除以dU，得到

令dP／dU＝0，得到

式（6）即为达到太阳能序列的最大功率点需要满足的条件。此方法就是通过分析比较输出的电导变化量以及瞬时电导值的大小，来决定参考电压的变化方向。以下对几种情况进行分析。

1）假设目前太阳能序列的工作点处于最大功率左侧，此时就有dI／dU＞－I／U。说明功率会随着电压的增大而增大，此时参考电压应该向着电压增大的方向变化。

2）假设当前太阳能序列的工作点处于最大功率右侧，此时就有dI／dU＜－I／U。说明功率会随着电压的增大而减小，此时参考电压应该向着电压减小的方向变化。

3）假设当前太阳能序列的工作点处于最大功率的附近，此时就有dI／dU＝－I／U。说明功率不会随着电压的变化而变化，即此时太阳能序列工作于最大功率点。

电导增量法的控制流程图如图4所示。在图4中，Un及In是检测到的光伏序列当前的电压和电流值；Ub及Ib是上一个控制周期的采样值。

图4　电导增量法的控制流程图

2.4干扰控制法［8］

干扰控制法是目前比较常用的最大功率跟踪控制方法之一。其工作原理是在每个相同的时间间隔，增加或者减少输出电压，这样就可以通过观察输出功率的变化，确定下一步输出电压的变化。这种控制算法应用的是功率反馈方法，即用传感器将太阳能电池的输出电压及输出电流进行采样后，计算获得此时的输出功率。这种控制方法虽然比较简单，且易于用软件来进行实现，但是响应比较缓慢，因此只适合于环境温度以及光照强度变化缓慢的地区。在稳态情况下，功率会在最大功率周围出现小幅震荡，这就会造成能量损失；在环境变化较快的场合，有可能会出现功率变化方向判断错误，使该控制方法失效。干扰观察的流程图见图5。

2.5基于模糊控制的最大功率点跟踪（MPPT）［9］

由于日照强度、光伏电池的工作温度、负载的情况等因素都是不确定的，以及光伏序列工作的非线性等特性，决定了要实现光伏电池的最大功率跟踪需考虑很多因素。针对这样一个非线性系统，应用模糊逻辑进行控制，可以达到比较好的效果。

在太阳能发电系统中，应用模糊逻辑来实现对最大功率的控制，可以用数字信号处理（DSP）来执行。其控制原理图如图6所示。图中，e（n）表示第n时刻和第n－1时刻输出功率的差值；E（n－1）是指这个实际的差值在模糊集中的论域值；a（n－1）表示第n－1时刻步长的实际值；A（n－1）是指这个步长的实际值在模糊集中的论域值；a（n）表示第n时刻步长的实际值；A（n）是指这个步长的实际值在模糊集中的论域值。

这种控制方法有较好的动态特性以及鲁棒性，能够达到比较好的控制精度。但是，其模糊控制的权值必须在训练前进行确定。因此，其只能对特定的光伏系统进行控制，系统的自适应能力不强。

3 小结

文中首先介绍了太阳能光伏电池的工作原理，确定了精确的数学模型，并且在MATLAB工具中进行了仿真建模，得出了输出电压与输出功率的仿真曲线。通过仿真曲线，得出该模型能够对光伏电池的特性进行模拟的结论。光伏电池数学模型的确定，对于光伏并网控制器的设计有非常积极的作用。本课题组还分析了最大功率跟踪器的必要性，同时介绍了几种常用的最大功率跟踪算法，并对其优缺点进行了分析。

图5　干扰观察法的流程图

图6　模糊控制原理框图

参考文献：

［1］王玲，盛超，徐柏榆，等.光伏发电系统的运行特性及其等效描述［J］.广东电力，2012（3）：57－64.

［2］曹祖亮，王斌，王帅.光伏发电系统及其最大功率点跟踪控制方法比较［J］.广东电力，2010（6）：16－19.

［3］周雒维，杨柳.光伏电池的最大功率跟踪以及并网逆变［J］.重庆大学学报，2010（2）：15－21.

［4］傅望，周林，郭珂，等.光伏电池工程用数学模型研究［J］.电工技术学报，2011（10）：211－216.

［5］焦阳，宋强，刘文华.光伏电池实用仿真模型及光伏发电系统仿真［J］.电网技术，2010（11）：198－202.

［6］李枝玖.太阳能光伏电站自动跟踪系统的研究［D］.北京：华北电力大学，2011.

［7］孙德达.光伏发电系统最大功率点跟踪研究［D］.济南：山东大学，2014.

［8］赵子琼.分布式光伏发电系统孤岛检测技术的研究［D］.广州：华南理工大学，2015.

［9］吴增强.光伏发电系统的最大功率跟踪和并网控制策略研究［D］.上海：上海电机学院，2015.

A Simulation Research on the Working Characteristics of the PV Cell and Comparisons Among the Tracking Algorithms of the Maximum Power

YUAN Tao，YI Bin，MAO Long-bo，MI Hong-ju
（Logistical Engineering Uiversity of PLA，Chongqing 401131，P.R.China）

Abstract：The simulation modeling of the PV cell has been implemented by means of the MATLAB and the simula-tion curves of output voltage and power have been obtained.In addition，this article draws a comparison among sev-eral common tracking algorithms of the maximum power as well as analyzing their advantages and disadvantages.

Key words：solar energy；tracking of the maximum power；algorithms；PV cell

作者简介：袁 韬（1981－），中级，研究方向为微机保护。

收稿日期：2015－10－09

中图分类号：TM615

文献标识码：A

文章编号：1008-8032（2016）01-0039-04