朱玉玉 刘先勇

基于Simulink的光伏特性仿真分析与MPPT算法改进

朱玉玉 刘先勇

(西南科技大学信息工程学院 四川绵阳 621010)

太阳能电池的输出功率随光照强度和环境温度的变化而变化，设计一种合理的最大功率跟踪(MPPT)算法对于太阳能的使用具有重要意义。分析、仿真了太阳能光伏电池特性，并结合传统最大功率跟踪算法的优点，设计一种改进型的最大功率跟踪算法，在不干扰系统正常工作的情况下能迅速感知外界环境变化，使系统输出功率快速稳定在最大功率点。研究表明，该算法具有跟踪速度快、振荡小、可靠性高等优点，适用于光伏发电场合。

太阳能 光伏特性 光伏发电 MPPT算法

随着全球石油资源的匮乏，各国越来越重视可再生资源的利用，太阳能就是其中的一种最具潜能的新能源。据有关分析，到2030年太阳能光伏发电将占到世界总电力的10%［1］。太阳能光伏发电具有清洁无污染、无噪声、安全可靠以及可再生等优点，但是目前的光伏发电系统都普遍存在太阳能利用率低、造价高等问题。为了能实时快速跟踪太阳能最大功率点，研究一种高效快速的太阳能功率跟踪算法十分重要。目前，最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)算法很多，比如恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观测法(P＆O)、增量电导法(INC)、恒定电流跟踪法(CIT)、迭代比较法［2－3］等，但是，不同的理论算法在实际使用过程中都存在不同的问题。本文利用Matlab/simulink对太阳能光伏阵列特性进行仿真，结合各种MPPT算法的优缺点，提出了一种改进型MPPT控制算法，并通过理论分析和仿真验证了该算法可以快速和精确地跟踪太阳能光伏阵列最大功率点，实现最大功率输出。

1 光伏阵列特性及其等效模型

1.1 光伏阵列等效模型

太阳能光伏电池输出电流随着光强的变化而变化，当外界的光强一定时，太阳能光伏电池就可以近似为一种恒流电源，其等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路图Fig.1 The equivalent circuit of PV

根据理论，由图1可以得出太阳能光伏电池的等效模型［4－5］为:

式中:I——光伏电池输出电流;Id——流过二极管电流;Ish——流过并联电阻电流;IL——光生电流;Io——二极管反向饱和电流;A——二极管因子，通常情况下取40～60;K——玻耳兹曼常数，K=1.38×10－23J/K; T——以绝对温度表示的结温，T=t+273(其中t为摄氏度);q——电子电荷量，q=1.6×10－19C;U——光伏电池输出电压;Rs——串联电阻;Rsh——并联电阻。

在实际理论分析中，由于太阳能的并联电阻Rsh往往很大，串联电阻Rs很小，由此忽略公式(1)中的Rs，Rsh，可将(1)简写为:

当外部负载开路时，此时外部断开，有I=0，因此上式可以改写为(3)式:

而通过光伏特性资料分析发现，太阳能电池板光生电流、开路电压与环境的温度、光照强度有关，如式(4)、式(5):

式中Isc，Uocs分别为标准情况(太阳能光伏电池板温度为25℃，日照强度为1 000 W/m2)下的短路电流和开路电压;Uoc为相对标准情况下不同温度的开路电压;KI为短路电流温度系数，KI=0.0012Isc(A/℃);KV为开路电压温度系数，KV=0.005Uocs(V/℃);T－开氏度，T= t+273(其中t为摄氏度);S－光照强度。

将式(3)、式(4)、式(5)分别带入公式(2)可以得出太阳能光伏输出电流I［6］为:

1.2 太阳能光伏电池特性

从公式(6)可以得出，太阳能光伏电池的输出受外界因素的影响很大。将公式(6)转换成数学模型，取短路电流 Isc=5.1 A，开路电压 Uocs=22 V，A=40，同时将KI，KV代入，利用Matlab/simulink进行软件仿真，得出如图2所示的光伏电池等效输出电流模型图。图3为标准温度下，光照强度分别为400 W/m2，600 W/m2，800 W/m2，1 000 W/m2下的I－U和P－U曲线图。I－U图中虚线相切，即为太阳能光伏输出功率最大点，而且从P－U图可以看出当外界环境温度相同时，无论光照强度增加还是减少，最大功率点的输出电压都基本相同。图4为光照强度为1 000 W/m2的情况下，温度分别为5℃，15℃，25℃，35℃的I－U和P－U曲线图。从图中可以看出，当光照强度相同时，在一定的输出电压范围内，不同的温度具有相同的输出功率，当超过这个范围后，随着温度的增加，其输出功率逐渐减小。

图2 光伏电池等效输出电流模型图Fig.2 The equivalent current model of PV

图3 相同温度不同光照强度下的I－U和P－U曲线图Fig.3 I－U and P－U curves for different light intensity at the same temperature

2 光伏阵列MPPT算法

2.1 MPPT控制原理

太阳能光伏阵列的输出特性具有非线性的特点，并且输出受光照强度、环境温度和负载影响，当输出电压达到一定值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值，此点称为最大功率点(MPP－maximum power point)。为了提高太阳能电池板的利用率，就必须使系统保持运行在最大功率点附近。

2.2 常用MPPT跟踪算法

恒定电压跟踪法(Constant Voltage Tracking，简称CVT)是通过控制太阳能光伏电池的输出电压，使太阳能电池板恒压输出，达到最大功率点跟踪的目的。从图3的P－U曲线可以看出，当温度相同，不同的光强下，最大功率点的电压几乎稳定在同一个值，其电压值近似为电池板开路电压的0.78倍。图5为基于Matlab/simulink仿真的恒定电压跟踪法跟踪曲线，从图5上下两幅图可知，虽然其跟踪速率达到1 s，但是由于电池板生产工艺和参数的差异，使其最大功率点电压不处在0.78倍开路电压附近，这将可能导致过度跟踪和跟踪不足。采用恒定电压跟踪法具有操作简单、跟踪速度快的优点，但其跟踪误差大，对环境的依赖性很强，很难适应不同的环境。

图4 相同光照强度不同温度下的I－U和P－U曲线图Fig.4 I－U and P－U curves for different temperature at the same light intensitye

增量电导法(Incremental conductance method，简称INC)是通过求导的方式实现最大功率点跟踪。从图3、图4的P－U图可以看出，最大功率点有dP/dU=0。但是MPPT算法的实现实际是根据光伏电池的输出电压和输出电流来确定其最大功率点，由功率、电压和电流关系可以将太阳能光伏输出功率表示为Po=Uo*Io，对电压Uo求导可得:

式中Po－太阳能光伏电池输出功率，Uo－光伏电池输出电压，Io光伏电池输出电流。

通过式(7)可以得出当Io/Uo=－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＜0，此时即为功率最大点;当 Io/Uo＜－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＜0，则Uo＞UMPPT(UMPPT为最大功率点电压)，光伏输出电压过大;当Io/Uo＞－d Io/d Uo，有d Po/d Uo＞0，则Uo＜UMPPT，光伏输出电压过小［8］。以上作为软件的判断依据，并进行相应的控制，即可实现对光伏电池最大功率点的跟踪。图6为增量电导法跟踪曲线，从图6可以看出，此跟踪算法能准确跟踪到最大功率点，并且稳定在最大功率点，但是其跟踪到最大功率点所需时间是恒定电压跟踪法的两倍，这将严重影响最大功率点的跟踪速率。

图5 恒定电压跟踪法(CVT)跟踪曲线Fig.5 Tracking curves for Constant Voltage Tracking

图6 增量电导法(INC)跟踪曲线Fig.6 Tracking curves for Incremental conductance method

2.3 改进的MPPT算法

分析以上两种算法可以得出，采用CVT跟踪算法控制时，系统的启动过程具有最优的特性，而且其控制简单，仅需要判断光伏系统的实际输出电压与设定电压指令值之间的大小关系，即可单方向调节控制器输出，功率输出单向增加，无振荡。该控制策略可以很方便地移植到增量电导法MPPT方法中，以实现启动过程的优化。因此该系统改进算法的核心思想及控制原理就是:避免MPPT启动速度过慢，跟踪误差过大，系统结合了恒定电压跟踪法和增量电导法两种算法的优点，提出了一种能快速启动、跟踪误差小、兼具增量电导法优点的MPPT算法。系统在上电时，初始采用恒定电压跟踪法，将光伏电池的输出电压从高向低调节到开路电压的0.78倍，实现快速启动，然后逐渐缩小扰动步长，循环调节，将光伏输出锁定在理论最高功率点附近。最后循环利用增量电导法，通过求导的方式找到功率最高点，达到最大功率点跟踪的目的［8］。图8为改进型MPPT控制算法流程图。

2.4 实验仿真及分析

利用Matlab/simulink建立数学模型进行软件仿真，模拟仿真标准状态(光伏电池面板温度为25℃，光照强度为1 000 W/m2)下的光伏特性曲线图，图7为改进型增量电导法Simulink模型及电流计算模型，上图为整体Simulink模型，下图为电流计算模型。图9是标准状态下光伏特性曲线，反映的是输出功率、输出电流随输出电压变化的关系，从图9中可以看出最大功率点很接近太阳能电池板的开路电压。

图7 改进型增量电导法Simulink模型及电流计算模型Fig.7 Simulink model of improve incremental conductance method and current calculation

图8 改进型MPPT控制算法Fig.8 Improved MPPT control algorithm

考虑到以上算法的不足，本文采用如图8的流程图方式实现仿真，逐步降压，使其快速稳定在0.78倍开路电压附近，然后利用改进MPPT算法实现最大功率点跟踪。图10为改进MPPT算法跟踪曲线图，和前面的CVT跟踪算法和INC跟踪算法对比，从图中实时跟踪功率P/W曲线可以发现，系统仅需要0.6 s即可平稳地进入稳态，远快于采用上面介绍的两种MPPT跟踪算法的启动速度，并且启动过程中功率平稳上升，无振荡，具有很好的启动特性，证明该算法兼具恒定电压跟踪法和增量电压法的优点，能快速稳定跟踪最大功率点，达到了预期的设计目的。

图9 标准状态下光伏特性曲线Fig.9 PV property curves under standard conditions

图10 改进MPPT跟踪曲线Fig.10 Tracking curves for improved MPPT

3 结论

太阳能光伏电池输出特性受环境温度、光照强度和负载等因素的影响很大，为了减少能量的损失，使太阳能电池板输出最大的功率，需要对最大功率点实时跟踪。本文基于Matlab/simulink对光伏阵列特性实现仿真，然后结合CVT和INC最大功率点跟踪算法的优点，提出一种改进型MPPT控制算法。通过仿真发现，此算法具有跟踪速度快、稳定度高的优点，特别适合太阳能光伏发电等场合。

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Simulation of Photovoltaic Propreties and MPPT Algorithm Based Simulink

ZHU Yu－yu，LIU Xian－yong

(School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，Sichuan，China;)

With the change of light intensity and ambient temperature，the output power of solar will be different.It is meaningful for the use of solar energy to design a reasonable maximum power point tracking (MPPT)algorithm.This paper analyzes and simulates the properties of solar PV，and designs an improved MPPT algorithm which combines with the advantages of the traditional MPPT algorithm.Under conditions of no interfering，the algorithm can quickly perceive changes of the external environment and make the output power of system fast and stable at the maximum power point.The research shows that the algorithm has some advantages such as fast tracking speed，small vibration，high reliability，especially suitable for PV occasions.

Solar;Photovoltaic properties;photovoltaic power generation;MPPT algorithm

TK519

A

1671－8755(2015)03－0076－05

2015－06－07

四川省国防科技基金(JMKF－2013－38－053)。

朱玉玉(1979—)，男，讲师，硕士，研究方向为电源技术、智能仪器仪表。E－mai:zhuyuyu_008@163.com