一种应用于光伏系统的双模式MPPT控制方法研究

作者/ 鲁兵¹ 宋桂英¹ 王云涛¹ 邱晗² 赵晓明¹ 1.河北工业大学 电气工程学院(天津 300130) 2.天津天传新能源电气有限公司(天津 300180)

摘要：光伏发电对于气象条件的依赖比较严重。为了使光伏电池产生尽可能多的电能，需要对其进行最大功率点跟踪控制。本文提出了一种双模式最大功率点跟踪控制方法，此方法结合了短路电流法和电阻增量法的优点，通过Simlink仿真可知，应用这种双模式控制方法的光伏系统在阳光突变时能够快速地重新达到最大功率点，并有效降低光伏系统在最大功率点处的震荡，减少了系统功率损耗。

引言

光伏发电因具有污染小、可再生等优点而受到世界各国的重视^[1]。当光伏系统进行发电时，其发电量受到光照强度、环境温度的影响。为了更好地使光伏系统在不同环境下尽可能发出最大功率，使用最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技术，在外界环境发生突变时，使光伏系统能稳定、快速地跟踪到最大功率点继续运行^[2]。

目前常用的MPPT方法有恒定电压法、电导增量法、扰动观测法等^[3-4]，这都是对光伏电池电压寻优的方法。对于Boost变换器而言，对电流进行寻优控制可以使电路性能更优越^[5]。定步长电阻增量法就是一种基于电流寻优的MPPT方法，其控制精度较高，响应速度较快。但由于其跟踪步长固定，所以跟踪的快速性和系统的稳定性不能同时兼顾。本文提出了一种双模式MPPT方法，此法结合了短路电流法和电阻增量法的优点，可以在光照突变时，快速准确地达到新的最大功率点(Maximum Power Point, MPP)，并且在MPP附近震荡较小，从而实现较为理想的控制效果。

1 光伏电池数学建模

在光伏发电系统的设计中，为了更好地分析光伏电池的性能，使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，需要建立光伏电池的数学模型。通过这些数学关系，来反映光伏电池各项参数的变化规律。光伏电池等效电路图如图1所示^[6]。

从图1中可以得出以下关系式：

式(2)中，Iph是光子在光伏电池中激发的电流，I0是二极管的总扩散电流，q是电子电荷(1.6×10^-19C)，K是玻尔兹曼常数 (1.381×10^-23J/K)，T为热力学温度，RS和Rsh分别为光伏电池的串联、并联电阻，A为二极管特性因子，k为波尔兹曼常数( k =1. 38 × 10^-23J/ K) ，T为光伏电池温度。

式(2)是建立在物理原理上的实际光伏电池的解析表达式，其表达式极其复杂。为符合工程的实际应用，本文对公式(2)做两点近似处理：①由于R_S远小于二极管的正向导通电阻，因而可忽略，所以光生电流近似等于短路电流，即I_ph=I_sc;②由于R_sh非常大(KΩ)，因此，U_d/R_sh非常小，近似于开路，该项可省略。得出进一步的光伏器件的简化数学模型为：

图2为光伏电池在温度为25℃，不同光照强度下的I-U、P-U和P-I曲线，由图可知，其输出特性是非线性的，在一定的温度和光照强度下，光伏电池具有唯一的最大功率点。

根据光伏电池的简化数学模型公式(5)，用Simulink建立了光伏电池的通用仿真模型。如图3所示。

2 双模式MPPT控制方法

光伏发电厂周围气象环境的变化直接影响着光伏系统的发电效率。对光伏电池进行MPPT控制能够使得发电系统在气象环境变换的情况下时刻保持最大的功率输出。本文借鉴目前工程上常用的、研究最多的电导增量法，提出一种采用电流寻优的MPPT方法——电阻增量法，再通过与短路电流法相结合，得到一种双模式控制算法。

2.1 短路电流法工作原理

短路电流法利用光伏电池关系式I_MPP≈k×ISC(IMPP为光伏电池最大功率点电流，I_SC为光伏电池短路电流，系数k的值取决于光伏电池的特性，一般取0.78左右)进行光伏电池输出功率的控制，因此，只要知道I_SC就能使光伏电池的输出功率接近最大功率点。由图2(c)中的光伏电池P-I特性曲线可知，光伏电池的短路电流I_SC与光照强度同样有近似比例关系。因此，可以在线测得光照强度，从而得到I_sc，进而得到I_MPP。在外部光照强度突变时，应用短路电流法能使光伏电池输出功率快速达到新的MPP附近，但控制精度差。

2.2 电阻增量法工作原理

借鉴电导增量法原理，本文提出了基于光伏电池电流寻优的电阻增量法，此法继承了电导增量法的全部优点，控制精度较高，响应速度较快。电阻增量法的判断依据为：当前光伏阵列的P-I曲线斜率为零时，在MPP点;为正时，在MPP左边;为负时，在MPP右边。即：

因此，可以通过判断U+IdU/dI的符号来实现跟踪策略。假设在最大功率点处I_ref=I_MPP，光伏阵列将维持这个点直到ΔU发生变化，然后通过增加或者减少跟踪步长I_ref，达到新的最大功率点，其流程图如图4所示。其中：U(k)和I(k)为光伏电池电压和电流的采样值，U(k-1)和I(k-1)为前一周期采样值。I_ref为MPP处电流参考值，Istep为跟踪步长。跟踪步长太大，跟踪响应速度快，但在最大功率点附近会产生很大的震荡，使系统不稳定;跟踪步长太小则会使响应速度太慢。