改进电导增量法控制光伏电池MPPT仿真研究

吴静妹 纪 萍 陶彬彬

（河海大学文天学院 安徽马鞍山 243002）

太阳能光伏电池因受到外界环境的影响如光照强度（S）、温度（T）、负载（L）等，其输出的特性曲线呈现出非线性性质[1]。当输出电压仅为某一特定电压时PV电池下才会输出最大功率，即工作点在P-U曲线的最高点，此点称为PV电池最大功率点[2-3]。为了有效利用PV电池提高光电转换效率，对其进行最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）就显得尤为重要。

一、光伏电池数学模型

根据PV电池工作原理可知，其基本特性与二极管特性相似[4-6]，等效电路如图1所示：

图1 光伏电池等效电路

由图1可得PV电池数学表达式：

图中Rs为串联等效电阻；Rsh为并联等效电阻，与Rsh相比Rs阻值较小，所以可以忽略，最终得到PV电池输出电流数学表达式为：

输出功率数学表达式为：

开路输出电压数学表达式为：

其中，I：光伏电池的输出电流；Iph：电池光生电流；Id：流过二极管的电流；Ish：流过内部并联电阻的电流；Io：二极管反向饱和电流；k：卡尔兹曼常数；λ：辐射强度；T：阳能电池的绝对温度；Isc：短路电流；Voc：开路电压；q：电子电量；A：无量纲的任意曲线的拟合常数（1≤A≤2）；I：为太阳能电池输出电流；V ：为太阳能电池输出电压。

由上述PV电池数学模型，在MATLAB/Simlink中搭建其仿真模型。当光照强度为1000W/m2，外界环境温度由25oC变为40oC、56oC时，其仿真输出I-U和P-U特性曲线如图2所示：

图2 光照强度不变温度发生变化时输出特性曲线

当外界环境温度为25oC，光照强度由1000W/m2变为800W/m2、600W/m2时，其仿真输出特性曲线如图3所示：

图3 温度不变光照强度发生变化时输出特性曲线

从仿真输出波形可以看出，在一定的恒定T和S下存在PV电池输出存在最大功率点。但是，在实际情况下，随着外界环境T和S的变化PV电池输出的电压、电流和最大功率点都会发生变化，这就降低了光伏工作效率。为了使PV电池在任何S和T下都可以获得最大功率输出，必须要进行MPPT控制。

二、太阳能光伏电池最大功率点跟踪研究

目前MPPT的实现方法有很多[7-9]：（1）固定电压跟踪法（CVT）：该方法优点在于控制方法简单，易于实现；缺点在于当温度变化的影响不能被忽略时，必然会影响光伏电池工作的最佳功率点，控制精度低；（2）扰动观测法（P&O）：该方法原理简单易于实现，但其追踪精度和步长有关，步长越长精度越低，步长过小追踪时间就会变长，同时随着输出电流的下降，开关频率会上升损耗也随着增加；（3）电导法增量（IC）：该方法相比CVT和P&O方法控制精确度高、响应速度快，一般应用在外界环境变化较快的场合。但是，传统电导增量法是通过比较dI dV与-I V的大小来判断最大功率点。在跟踪某一个固定电压和电流产生的P-V曲线时，效果比较好。当外界环境发生变化时，电压电流发生变化，P-V曲线也随之变化，在跟踪过程中就会从一个曲线跳变到另一条曲线，这样就会出现dV=0的情况，此时dI dV=∞，这就需要额外添加判断过程，比较麻烦[10]。基于此，本文采样改进电导增量法对PV电池进行MPPT控制。下面详细介其工作原理。

改进型电导增量法是通过比较dP*dV与0的大小来判断最大功率点。当dP*dV＞0时，即工作点在最大功率点Pmax左侧，此时需要增大参考电压；当dP*dV＜0时，即最大功率点Pmax在工作点的左侧，则需减小参考电压；当dP*dV=0时，存在两种情况：（1）dP=0,dV≠ 0，即工作点在最大功率点Pmax上，参考电压不变，（2）dP ≠ 0,dV=0，即外界环境发生变化，跟增在不同的P-V特性曲线上，参考电压可暂时不变，返回重新进行检测比较，进行下一论的最大功率点跟踪。如此反复最终跟踪到最大功率点。其控制流程图如图4所示。

图4 改进型电导增量法MPPT控制流程图

三、MPPT的MATLAB仿真实现

根据上述跟踪原理，利用Matlab/Simulink仿真平台，建立改进型电导增量法MPPT控制仿真模型，如图5所示。

图5 改进型电导增量法MPPT控制仿真模型

当外界温度T=25°C，光照强度由600W/m2上升为1000W/m2时，MPPT控制仿真输出如图6所示。

图6 温度不变光照发生改变时MPPT仿真输出波形

分析：从仿真输出波形可知，在1s时刻外界光照强度发生变化时，光伏电池输出能够快速地，准确地跟踪PV电池输出的最大功率点。

四、结论

文章首先介绍了PV电池非线性输出特性及数学模型，并仿真验证了其输出特性。然后，介绍了MPPT常用的控制算法优缺点，并针对缺陷，提出了改进型MPPT 算法。最后，利用Matlab/imulink仿真平台对改进型MPPT控制算法进行仿真分析。结果表明：在外界环境发生变化的情况下，该方法可以快速地，准确地跟踪PV电池输出的最大功率点，提高发电效率。