刘立立，林永君,刘卫亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003)



基于改进MPPT的光伏发电系统仿真研究

刘立立，林永君,刘卫亮

(华北电力大学 控制与计算机工程学院，河北保定071003)

光伏发电系统中，对电源的输出功率进行最大功率点跟踪(MPPT)是极其重要的。为了提高光伏电池的发电效率，提出了一种改进的扰动观察法进行最大功率跟踪，不仅能很快很准地跟踪最大功率，而且能使系统的稳定性得到保持。通过对逆变器的控制策略进行研究，提出了一种双闭环控制方式，能够保持输出电压稳定，满足微网孤岛运行要求。通过仿真结果，可以看出该方法的有效性与可行性。

光伏发电；仿真；改进最大功率跟踪；双闭环控制

0 引言

能源供求问题越来越严重，为了使地球环境得到改善，人们越来越重视新能源的开发和利用，尤其是可再生能源的利用[1]。分布式发电是利用可再生的新能源(如太阳能、风能、潮汐能等)进行发电，使各种可用的能源能够得到充分地开发与利用，并且使能源的利用率得到明显提高[2]。除此之外，还可以保护环境、节约能源。所以分布式发电的前景很好。

光伏发电是目前研究比较多的一种发电技术，研究其并网运行和孤岛运行都具有非常重要的价值，并且应用前景十分广阔，具有无污染、可再生、资源普遍性、通用性、可存储性、分散性等显著优点[3-5]。

为了解决发电贫困区的用电问题，在西北偏远地区建立了小型光伏发电站，使太阳能得到了充分地开发与利用。将太阳能转换为电能，不仅可以解决部分无电人口的供电问题，还可以解决边远地区的通讯问题，提高了西部地区的经济水平，且改善了生态环境。所以研究光伏发电系统显得尤为重要[6,7]。

本文首先分析了光伏电池的输出特性曲线，然后搭建了光伏发电系统模型，逆变器控制采用电流电压双闭环控制，并在Matlab/Simulink环境中进行仿真。

1 光伏电池特性分析

光伏电池本身不具备发电能力，是通过光电效应将光能转化成电能的装置。光伏效应就是当光伏电池受到外界光照时，其内部的电荷发生运动而产生电流和电动势的一种效应。光伏电池的工作原理可以用单二极管等效电路来进行描述[8]，其等效电路图如图1所示。

图1 光伏电池的等效电路

根据基尔霍夫电流定律能得到太阳能光伏电池产生的电流I，即：

(1)

式中：I为光伏电池输出的电流，A；Il为光伏电池产生的光生电流，A；Id为流过二极管的电流，A；Ish为流过分流电阻的电流，A。

其中流过二极管的电流为：

(2)

式中：I0为PN结的反向饱和电流，A；n为二极管理想因子，无量纲；k为玻尔兹曼常数，其值为1.380 650 5×10-23， J/K；T为光伏电池绝对温度，K；Ui：加在二极管上的电压，V。

由基尔霍夫电压定律得到：

Ui=U+IRs

(3)

式中：U为电阻Rl两端电压，V。

流过分流电阻Rsh的电流Ish满足：

(4)

由式(1)～(4)可得到描述光伏电池的伏安特性方程为：

(5)

工程应用的数学模型一般更为实用精确。在标准实验条件(日照强度S=1 000 W/m2，光伏电池温度T=25 ℃)下，光伏电池的工程数学模型为:

(6)

其中：

(7)

(8)

式中：ISC为短路电流；UOC为开路电压；Im为最大功率点处的电流；Um为最大功率点处的电压；Pm为最大输出功率。在非标准条件下，ISC、UOC、Im、Um、Pm要做一定修正。

根据以上公式，通过Matlab/Simulink软件，搭建光伏电池的仿真模型，如图2所示[9]。

图2 光伏电池仿真模型

光伏电池仿真模型中设置短路电流为2.52 A，短路电压为22 V，开路电流为2.31 A，开路电压为17.3 V，串联电阻为0.5 Ω。在光照强度为1 000 W/m2，温度为25 ℃时，对光伏电池模型进行仿真，得到光伏电池在不同光照强度及不同温度下的输出特性曲线，仿真结果如图3、4所示。

仿真结果表明该模型建立的正确性。当光伏电池的温度不变时，输出的功率随光照强度的增加而增加；当光照强度不变时，输出的功率随电池温度的增高而减小。

2 改进的扰动观察最大功率跟踪方法

为了使光伏电池的工作效率得到提高，需要对其工作点进行实时调整，确保始终在最大功率点附近工作。最大功率跟踪方法有扰动观察法、增量电导法、模糊逻辑控制法等。其中扰动观察法是最常见的方法，其控制原理是：测量输出电压和功率，对输出电压进行扰动，继续观察输出功率的变化，根据功率的变化趋势进一步扰动[10]。

本文针对定步长扰动观察法的缺陷提出变步长扰动观察法。改进的扰动观察法依然是对占空比进行扰动从而实现最大功率跟踪。初始状态，功率距离最大功率点较远，此时设置一个较大的步长，这样能使系统更快地跟踪到最大功率[11，12]。在系统运行过程中，通过检测得到采样时刻t2与上一时刻t1的功率，通过计算得到两者的功率差ΔP，将ΔP与0进行比较：若ΔP大于0，说明t2时刻的功率比t1时刻的功率大，根据PU特性曲线，可以看出此时的功率在最大功率点左侧，这时应该继续增大光伏电池电压U，使功率继续增加，所以就继续按照原占空比进行扰动；若ΔP小于0，说明t2时刻的功率比t1时刻的功率小，根据PU特性曲线，可以看出此时的功率在最大功率点右侧，应该减小光伏电池电压U，使功率回到最大功率点。如果还采用较大的步长，系统的输出功率又回到最大功率点左侧，这样功率就会在最大功率点附近来回摆动，就不能跟踪到输出的最大功率。为了使该问题得到解决，首先设置一个较小的正值ε，当ΔP小于ε时，就认为达到了最大功率点，避免了频繁工作。然后进行扰动，当ΔP小于0时，可以减小步长至原来的1/2，这时功率值就会回到一个比较大的值，继续进行扰动。每当ΔP<0，并且步长未达到设定的最小值时，步长就减小一次，在理想情况下系统就会快速准确地找到最大功率点，实现MPPT，并且使系统保持稳定。

根据改进的最大功率跟踪原理，改进的扰动观察法的流程图如图5所示。图中Δ表示的是扰动步长。

图5 改进扰动观察法流程图

根据流程图，在Simulink中搭建的仿真模型如图6所示。

图6 改进扰动观察法仿真模型

3 光伏系统仿真结果分析

3.1 光伏系统结构

光伏系统主要有光伏电池模块、最大功率跟踪模块、PWM模块、逆变器模块等。其电路框图如图7所示。

图7 光伏系统结构框图

根据以上框图，在Matlab/Simulink中搭建光伏系统仿真模型，如图8所示。最大功率跟踪算法采取改进的扰动观察法，控制器采用双闭环控制方式。PWM控制器的频率，对开关损耗具有很大的影响。频率过高，开关损耗会增大，降低其使用寿命；开关频率过低，可控性强，但是造成的谐波较大。综合考虑，本文选用开关管为IGBT，开关频率设置为20 kHz。在光伏系统中，开路电压、开路电流、短路电压、短路电流以及串联电阻等参数设置如表1所示。

图8 光伏发电系统仿真模型

参数数值开路电压/V288开路电流/A13.88短路电压/V354短路电流/A14.88串联电阻/Ω0.5

3.2 最大功率跟踪仿真结果

为了验证改进的最大功率跟踪方法的效果，将其与传统的最大功率跟踪方法比较。当最大功率跟踪分别为变步长和固定步长，其跟踪效果有明显的差别。当改变外界环境时，光伏电池输出的功率也会随之改变。图9表示的是当光照强度为1 000 W/m2、温度为25℃(标准情况)的结果；图10表示的是光照强度在0.1 s增加到1 200 W/m2、温度为25℃的结果；图11表示的是光照强度为1 000 W/m2、温度在0.1 s增加到55℃的结果。

图9 标准情况下的仿真结果

图10 光照强度增大的仿真结果

图11 温度增加的仿真结果

根据仿真结果，可以看出，当MPPT使用固定步长的扰动时，有很大缺点，步长的设置将是一个难点。如果步长设置太大，虽然跟踪速度比较快，但是输出功率会在最大功率点附近来回变波动，其稳定性较差，对系统性能有一定影响；如果步长设置过小，虽然稳定性好，但其跟踪速度又会变慢。而变步长扰动观察法能克服定步长的缺点，能够快速准确地跟踪最大功率，提高光伏电池的发电效率。

3.3 逆变器控制策略分析与仿真结果

逆变器控制方式采用双闭环控制，控制电路框图如图12所示。相对于电压单闭环控制，双闭环控制具有更好的性能。电流内环是为了提高系统的动态响应，电压外环是为了实现电压的无静差控制。仿真参数设置如下：负载采用50 Ω阻性负载；电流内环采用P控制，选择Kp为0.3；电压外环，采用PI控制，参数设置：Ki=0.3，Kp=0.1。负载两端的电压电流波形如图13、14所示。

图12 双闭环控制框图

图13 负载电压

图14 负载电流

从仿真结果可以看出，开始时系统还未进入稳态运行，逆变器输出电压有一个小的波动。当系统稳定时，负载两端电压稳定在给定值。当光照强度和温度变化时，光伏电源的输出功率会随之发生变化，但由于电容的储能，系统根据负载需要输出相应的电压。逆变器双闭环控制具有较快的动态响应和较高的稳定性。

独立光伏发电系统中，电压谐波含量是分析的重点，此系统中，负载电压谐波含量(THD)值如图15所示。

图15 负载电压THD

从仿真结果可以看出，负载电压THD值为0.21%，符合微网孤岛运行要求。

4 结论

分析了光伏电池的等效电路，并利用 Matlab/Simulink 软件，搭建了光伏发电系统仿真模型，并对其输出特性进行分析。利用改进的扰动观察法跟踪光伏电池输出的最大功率，通过仿真结果可以看出在不同阶段采用不同的步长，可以使系统更快更准确地跟踪光伏电池输出的最大功率，克服了传统MPPT的缺点，并且使系统输出功率更加稳定。

逆变器控制采用双闭环控制，电流内环能够提高系统的动态响应，电压外环能够实现电压的无静差控制。仿真结果表明，双闭环控制具有较好的控制效果，系统输出满足孤岛微网运行要求。

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Simulation Research of Photovoltaic Power Generation System Based on Improved MPPT

LIU Lili，LIN Yongjun，LIU Weiliang

(School of Control and Computer Engineering，North China Electric Power University， Baoding 071003， China)

In photovoltaic power generation system, the maximum power point tracking (MPPT) is very important for power supply.In order to improve the power generation efficiency of the photovoltaic cells, an improved disturbance observer method is proposed for maximum power tracking, This method can not only quickly tracking the maximum power with good accuracy, but aslo maintain the stability of the system.Based on the control strategy of inverter, a double closed loop control method is proposed, which can keep the output voltage stable and meet the requirements of micro grid operation.The validity and feasibility of the method is verified by the simulation results.

PV；simulation；improved MPPT；double closed-loop control

2016-06-12。

中央高校基本科研业务费专项资金(2015ZD17)。

刘立立(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为微网逆变器仿真,E-mail:917519625@qq.com。

TM91

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2016.11.005