太阳能发电系统MPPT控制策略

王桥莉，张文浪

（1.陕西东方航空仪表有限责任公司，陕西 汉中 723000；2.陕西公众智能科技有限公司，陕西 西安 710000）

随着化石能源的逐渐枯竭，人类面临着能源危机。为了解决这些问题，走可持续发展道路，发展新能源是大势所趋，太阳能有明显的优势，受到世界各国的关注和重视。以太阳能发电系统作为研究对象，并且进行太阳能发电系统的最大功率点跟踪控制进行仿真，具有非常重要的实践意义[1]。

太阳能电池作为太阳能发电的承载物和连接点，其运行状态受到光照强度、温度以及负载等因素的影响。当光照强度升高时，太阳能电池输出功率增加。当温度升高时，太阳能电池输出功率输出降低。当光伏系统工作在一定条件时，太阳电池存在的唯一功率输出最大点，这个点也被称为光伏最大功率点。通过控制策略使太阳能电池工作在这个点的技术被称为MPPT控制策略（Maximum Power Point Tracking，MPPT）[2]。

基于光伏MPPT跟踪快速和振荡平稳抑制的要求，本文首先介绍了光伏发电的基本原理，并讲解了扰动观测法的工作原理，仿真建模分析结果表明扰动观察法具有响应速度快、跟踪精度高、稳定性高等特点，能很好满足光伏发电的MPPT实际运行要求。

1 太阳能电池的工作特性

1.1 太阳能电池的数学模型

太阳能是光的一种辐射能，必须应用特定的辐射效应转换器将太阳能转化为电能，这种转换器装置被称为太阳能电池。如图1所示，常见的太阳能电池等效电路是用电流源与二极管并联，电流源的功率输出受光照强度的直接影响。在理论推导时，常假设电池等效模型中电流未泄漏，串联电阻为零，并联电阻无穷大。

图1 太阳能电池单二极管模型

列写基尔霍夫定律可得太阳能电池输出电流，具体如下：

式（1）中：Isc为特定温度下的短路电流；Ipvo为二极管电流。

式（2）中：Irev为反向饱和电流；q为电子电荷量（1.602e-19J）；v为二极管电压；k为玻尔兹曼常数（1.381e-19J/K）；T为开尔文温度。

利用式（3）可以近似求解：

式（3）中：Isc为光电效应短路电流；G为辐射率；Gst为在标准测试下辐射率；Ist为在标准测试下电流值。

设置开路电压值可求解反向饱和电流值，例如端口开路（Ipv为0，Voc为Vpv）。

考虑将串联电阻、复合系数等因素[3]，得到光伏电流方程式：

从上式可以看出当温度升高时，太阳能电池输出功率略微减小；当光照强度上升时，输出功率提升较为明显。因此，温度、光照强度等外界环境参数对太阳能电池的输出功率有较大影响[4]。

1.2 Boost变换器建模

一般太阳能电池输出电压小于电网电压的峰值，经Boost变化升压后可提高电压，有利于逆变并网，因此本文选用Boost变换器作为MPPT控制的载体。Boost拓扑图如图2所示。

图2 boost功率控制电路

由图可知，开关管VT导通，输入电流流经电感L和开关管VT，电感电流开始储存能量，二极管VD关断状态。当VT打开，L线圈两端的极性将由线圈产生的磁场改变，以保持电感电流不变，电感电压再与电源E串联，以高于E的电压向后级供电，产生升压作用[5]。

当后级系统需要大的电压时，增大占空比升压；当后级系统需要小的电压时，减小V空比减压。利用占空比改变工作电压，以改变功率的输出状态。

2 扰动观察法MPPT策略设计

接下来简述一下扰动观察法的基本原理。扰动观察法的原理图如图3所示。

图3 太阳能输出功率特性曲线

先假设太阳能电池的运行在其特性曲线的A点，为保证太阳能电池输出更大的功率，需向右移动，即增大工作电压，以增加太阳能电池的输出功率，此时太阳能电池将会达到太阳能输出特性曲线B点。相较于A点，明显增加了输出功率。

其次，继续判断是否达到最大功率输出的状态，继续向正方向进行扰动，增加输出电压，从而使输出功率也不断的增加，此时太阳能电池将会达到太阳能输出特性曲线C点。相较于B点，明显增加了输出功率。

最后，继续判断是否达到最大功率输出的状态，继续向正方向进行扰动，增加输出电压，从而使输出功率进行减少随之降低。因此，应适当转变电压扰动干扰方向，以此保证太阳能电池输出功率处于最大的状态。

反之，若一开始太阳能电池工作在E点，进行上述搜索。会从E点，减小工作电压，改变太阳能电池的工作状态，以获得太阳能电池尽可能大的功率输出，则会继续向左工作，转至D点。此时继续寻优搜索，则降低工作电压，从D转至C点，以获得太阳能电池尽可能大的功率输出。

如此循环往复，使太阳能电池始终在C点附近上下运行，从而保证了太阳能电池持续输出最大功率。由于整个过程如爬山一样循环往复，从山底到山顶，反复寻求山顶太阳能功率输出最大的点。因此此种方法被称之为爬山法。

扰动观测法的流程图如图4所示。

图4 扰动观测法流程图

U（K）、I（K）代表此时刻的工作电压、工作电流，U（K-1）表示上一时刻的输出电压，P（K）代表此时刻的输出功率，P（K-1）上一时刻的输出功率，D（K）代表目前此时刻变换器的占空比，D（K-1）代表上一时刻占空比，D（K+1）代表下一时刻占空比，ΔD代表占空比的改变量。则此方案的工作步骤如下。

首先，采集U（K）、I（K）的实时数值，得到此时太阳能电池的输出功率。

接着，将这一时刻的输出功率P（K）与上一个时刻的输出功率P（K-1）比较。若是差值不为0，则代表此时就处于最大功率状态，无需改变占空比，以影响工作电压，进而改变太阳能电池输出功率；若差值为0，继续进行下一步。

最后，进行继续比较。将这一时刻的输出功率P（K）与上一个时刻的输出功率P（K-1）比较。

若差值小于0，则表示这一时刻输出功率大于上一时刻，可进行进一步优化。若此时的工作电压U（K）大于U（K-1），则增加占空比，增大工作电压，以提高输出效率；若此时的工作电压U（K）小于U（K-1），则减小占空比，减小工作电压，以提高输出效率。

若输出功率差值大于0，则表示这一时刻输出功率小于上一时刻，可进行进一步优化。若此时的工作电压U（K）大于U（K-1），则减小占空比，减小工作电压，以提高输出效率；若此时的工作电压U（K）小于U（K-1），则增大占空比，增大工作电压，以提高输出效率。

若P监测前、后没有发生改变，则D应不改变。

综上所述，只要能够选择合适开关VT的占空比D以及占空比的改变值ΔD，控制器就能够迅速地找到太阳能电池阵列的最大功率。

3 仿真验证

采用Matlab/Simulink仿真平台搭建仿真模型，其中光伏组件参数为标准测试条件S=1 000 W/m2、T=25℃下开路电压Voc=22.4 V、最大功率点电压Vm=18V、短路电流Isc=3.5A、最大功率点电流Im=2.9A，光伏的最大输出功率约为52 W。Boost变换器中的参数为电感L=5 mH、电容C1=100μH、电容C=100μH，负载电阻R=30Ω。

3.1 启动时最大功率点的跟踪特性

标准测试环境下，启动时最大功率点跟踪特性曲线如图5所示。从图可以看出，使用扰动观测法可以迅速达到太阳能电池的最大功率值，其稳态值为52W。

图5 启动时MPPT特性曲线

3.2 环境变化时跟踪性能

当光照强度S不变，环境温度T突变时的MPPT跟踪特性曲线如图6所示。从图可以看出，在从60℃变换到25℃，再突变到60℃的情况的跟踪时间分别为0.1 s与0.2 s。这表明太阳能电池输出功率受到温度因素的影响，先上升后下降，也表明了扰动观测法可在温度变化情况下跟踪到最大功率点。

图6 S不变、T突变的MPPT跟踪特性曲线

当环境温度T不变，光照强度S突变时的MPPT跟踪特性曲线如图7所示。在实际环境条件下，光照强度变化频繁，制约运行效率，因此光强突变时最大功率点追踪性能非常重要。从图中可以看出，T为25℃，S分别在0.1 s、0.2 s，仿真波形从1000W/m2变换到800W/m2，再突变到1000 W/m2。使用扰动观测法后，在光照强度发生变化时，可以迅速跟踪到最大功率点。且最大功率在光照从高到低，再从低到高的过程中呈相反趋势。

图7 T不变、S突变的MPPT跟踪特性曲线

4 结论

由于光伏发电受环境因素制约，若不加以控制，会影响工作效率。本文通过分析太阳能电池工作原理，给出了扰动观测法的步骤，仿真结果表明，本文所介绍的扰动观测法可以跟踪到最大功率点。