基于电导增量法MPPT仿真研究

1、于电导增量法mppt仿真 研究st udy on phot ovol t ai c gener at i on syst em of mppt based on i ncr ement al conduct ance张 翔 王时胜 余运俊 邓 华zhang xiang wang shisheng yu yunjun deng hua（南昌大学信息工程学院电气与自动化工程系，江西 南昌 330031）(department of electrical and automation engineering，school of information and engineering，nanchang

2、university，jiangxi nanchang 330031）摘 要：本文利用 matlab/simulink 仿真软件，提出了以光伏电池的工程数学模型建立的 pv 仿真模型，得到不同环境温度和光照强度下的输出特性仿真结果，并验证了其正确性。同时，对使用 boost 电路连接仿 真模块组成的光伏发电系统进行基于电导增量法最大功率点跟踪，并计算出其跟踪精度。关键词：matlab仿真；光伏电池阵列；电导增量法；最大功率点跟踪中图分类号：tm615文献标识码：a文章编号：1671-4792（2013）02-0060-05abstract：a pv array simulation model

3、 was established, which based on its mathematical model of projectapplication, using matlab/simulink. and the results were received under different environmental temperatures and different radiations. meanwhile, mppt based on incremental conductance on done using photovoltaic power gen- eration syst

4、em by the simulation model connected with boost circuit, and tracking efficiency were provided. keywords：matlab simulation；pv array；incremental conductance；mppt 0 引言在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与 光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境诸如辐 照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件 下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点（maximum power point，简称 mpp）上。为了最大限 度提高光伏电池输出功

5、率和工作效率，降低光伏电 池成本，对系统进行最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称 mppt)1。尤其是在外界 环境情况发生变化时，快速跟踪到太阳能电池板的 最大功率点的控制方法与技术的研究就显得尤为重 要2-3。本文使用 matlab/simulink，建立了光伏电池阵 列的仿真模型，并将其仿真结果与实际电池阵列的 测量结果进行验证比较，同时对基于 boost 电路的1 光伏电池阵列特性分析太阳能光伏电池通过半导体材料的光伏效应来 产生电能，电池组件的特性随光照辐射强度和电池 温度的变化而变化，其输出电流电压数学模型可 表示为4：（1）式（1）中，ip

6、h 为光生电流(a)，光伏电池单体数量级为 10-4a；io 为 pn 结反向饱和电流(a)；rs 为串联电 阻，阻值很小，一般小于 1；rsh 为旁漏电阻，阻值比 较高，一般数量级为 k；a 为二极管品质因子；k 为 波耳兹曼常数 (k=1.38×10-23 j/k)；t 为绝对温度(k)， t=t+273.15；q 为单位电荷数(q=1.6×10-19c)。设在某光照条件下，光伏电池的开路电压和短基(b) t- t 曲线图（a）p- t 和 s- t 曲线图图一 实际的光伏电池各参数的变化情况曲线图曲线其实是 15 块串联的光伏电池组件的数据。下面利用 matlab软件

7、对上述工程用数学模型 进行仿真分析，其仿真模型如图二所示。（2）式（2）中：其中，sref 和 tref 分别为标准参考光照强度和标准参考面板温度，一般取 1000w/m2，25 ；uoc 和 isc 分别为开路电压和短路电流，um 和 im 分别为最大 功率点电压和电流； 为电流变化温度系数，单位 为 a/； 为电压变化温度系数，单位为 v/；rs 为串联电阻。对于晶体硅及多晶硅太阳电池，其实测值为 =0.00121isc，= 0.005voc；rs 阻值很小，一 般小于 16。本文是基于晶澳太阳能公司的光伏电池组件jamg-6-60-250/si 建立光伏电池模型，其相关参数 为 uoc=

8、37.92v，isc=8.62a，um=30.96v，im=8.97a，pm=250w，电流温度系数 =+0.040%/，电压温度系数=-0.300%/。将电流温度系数和电压温度系数通过单位换算成 =0.00366a/ ，=0.11157 v/ ，rs取 0.05。其实际的功率 p、光照幅值 s 和面板温度 t 随时间 t 的变化曲线如图一所示，图中所显示的数据图二 光伏阵列特性仿真模型图其中，pv 模块如图三所示。图三 pv 模块示意图光伏阵列特性仿真分析如下：（1） 模拟温度为 t=25 ，光照强度分别为600w/m2、800w/m2、1000w/m2 的环境，得到光伏电池的 i-v、p-

9、v 特性曲线，如图四所示。(a) i- v 特性曲线(a) i- v 特性曲线(b) p- v 特性曲线图五 光伏电池输出特性曲线图(r=1000w/m2)电流的增加，但是短路电流增加的幅度很小。同时，开路电压对温度的变化很敏感，温度的升高会使开 路电压降低很多。由图五(b)可知，温度升高时，电流 少量增加，但是电压大量降低，最终导致输出功率降 低。因此，组件面板温度是影响 mpp 输出的另一个 至关重要的因素。通过上述分析同样可知：图五所显 示的特性曲线与图一所示的实际各参数的变化情况 相吻合。证明此光伏电池仿真模型是正确的、可行 的，可以作为研究光伏电池的有效工具，为光伏发电 最大功率跟踪

10、系统的研究和算法的实现奠定了基 础。2 电导增量法的研究分析光伏电池的输出特性曲线可知，其具有很 强的非线性，在特定的外界条件下总存在一个最大 功率点。mppt 实质上是一个动态自寻优过程，通过 控制策略实时检测当前情况下光伏电池的输出功 率。采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能 的最大功率输出，通过改变当前阻抗来满足最大功7(b) p- v 特性曲线图四 光伏电池输出特性曲线图（t=25）由图四(a)可知，模拟温度为 t = 25时，光照强度不同时，输出曲线是不同的。光照强度的变化对短路电流的影响比较大，光照强度的增加会引起 短路电流的大量增加，然而只会使开路电压有少量 增加。由图四(b

11、)可知，随着光照强度的增加，最大功 率点的位置有所升高，光伏电池的输出功率也随着 光照强度的增加而增加，所以光照强度是影响光伏 电池输出功率大小的重要因素，仿真曲线显示的光 伏电池特性与图一显示的实际光伏电池特性相吻 合。(2)模拟光照强度为 1000w/m2，组件面板温度 依次为 10、25、50的环境，得到光伏电池 i-v、 p-v 特性曲线如图五所示。法、扰动观察法、恒电压控制法、短路电流法、模糊控制法和人工神经网络法等。本文采用的是电导增量 法，该方法具有很好的跟踪效果，控制稳定度高，当 外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化，且 与光伏电池的特性及参数无关8-9。采用导纳增量法

12、进行最大功率跟踪时并无原理性误差，是一个比较 理想的 mppt 跟踪方法。电导增量法控制流程和其 仿真模型分别如图六和图七所示10。jamg-6-60-250/si 光伏电池组件。并采用 ode23tb算法，绝对误差允许范围可自动调节，从 0 秒开始仿 真，仿真时间设为 0.5 秒，mppt 控制模块的采样周 期取为 0.0005 秒。图八 光伏系统 mppt 仿真模型图图九所示为在太阳能电池组 件 面 板 温 度t=30、光照强度 r=800w/m2 时，采用电导增量算 法仿真的光伏发电系统光伏组件的输出电压和负载 两端得到的电压的仿真波形对比图。图六 电导增量法流程框图图九 光伏组件的输出

13、电压和负载两端电压仿真波形对比图图十所示是在太阳能电池组 件 面 板 温 度 t=30、光照强度 r=800w/m2 时，采用电导增量算 法仿真的光伏发电系统光伏组件的输出功率和负载 得到的功率仿真波形对比图。从对比上可以看出, 在开始的一段时间里系统 的振荡较大，之后系统趋于稳定。光伏发电系统能够 在最短时间对 mpp 并对其进行跟踪，跟踪耗时约为0.024s。在 电池组件面板温度 t=30 、 光 照 强 度r=800w/m2 的情况下，其相应的输出功率约为图七 基于电导增量法的 mppt 仿真模型图3 基于电导增量法的 mppt 仿真研究目前，最大功率点跟踪控制策略有很多种。本 文采用

14、boost 电路结构调整组建成电导增量法 mppt 光伏发电系统的仿真模型，如图八所示。电感 l 值为 50e-6h，电容 c1 值为 1000e-6f、c2 值为100e-6f，负载电阻 r 值为 40。在仿真模型中，pv模 块 模 拟 的 对象还是晶澳太阳能公司的 phase photovoltaic system with three -level boostingmppt control j. ieee transactions on power elec- tronics, 2008，23(05)：2319-2327.4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

15、报，2011，26(10)：211-216.5苏建徽，余世杰，赵为，等.硅太阳电池工程用 数学模型j.太阳能学报，2001，22(04)：409-412.6platon baltas, marine tortoleli, paul e russel. photovoltaic designer aspvd z.arizona state uni- versity, dept. of electrical and computer engineering,1988. 7李鹰，康龙云，朱洪波，等.一种新型光伏发电系统最大功率跟踪算法j.电气传动，2010，40(12)：35-39.8徐明亮，唐玉兰

16、，徐德云.在线扰动优化光伏 mppt 模糊控制器j. 计算机工程与应用，2012，48 (01)：216-218.9neil s.dsouza, luiz a.c.lopes, xuejun liu. comparative study of variable size perturbation and observation maximum power point trackers for pv systems j.electric power systems research，2010，(80)：296-305.10汤济泽，王丛岭，房学法.一种基于电导增量 法的 mppt 实现策略 j.

17、电力电子技术，2011，45 (04)：73-75.图十 光伏组件的输出功率和负载得到的功率仿真波形对比图35.7331w，负载得到的功率约为 36.5051w，跟踪精 度达到 97.89%。4 结束语本文利用 matlab 搭建光伏电池阵列模型，将其 仿真实验结果与实际情况相比较，验证了此光伏电 池阵列模型的正确性。再通过 boost 电路连接组建 成基于电导增量法 mppt 光伏发电系统的仿真模 型，结果表明该仿真系统能较好地完成对最大功率 点跟踪的工作，效率为 97.89%，但在稳态特性方面 存在较大的振荡，有待进一步改进。本文在模型搭建 中，仿真模块都是分别封装的，可根据工程的实际需 求进行改装与替换。参考文献1雷元超，陈春根，沈骏，等.光伏电源最大功率 点跟踪控制方法研究j.电工电能新技术，2004，23 (03)：76-80.2yang c, smedkey k m. a cost effect -ive si