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光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，由于光伏電池受光照強度及溫度變化的影響很大，其輸出特性呈現(xiàn)高度非線性化，所以，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光伏電池的輸出功率也會隨之發(fā)生改變。為了有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，要求無論外界條件怎樣變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率應(yīng)始終保持最大值。為了解決這一問題，本文分析了光伏電池輸出特性及等效模型，提出最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking，MPPT）控制算法，并基于Matlab/Simulink的電導(dǎo)增量法建立MPPT仿真模型對其科學(xué)性、有效性加以驗證。

1光伏電池輸出特性及等效模型

光伏電池單體是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的最小單元，將光伏電池單體進行串聯(lián)、并聯(lián)后分裝就組成了光伏電池組件，把若干個光伏電池組件進行串聯(lián)、并聯(lián)后裝在支架上就形成了光伏電池陣列［1］。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響很大，只有深入了解其輸出特性，才能為研究光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

1.1光伏電池輸出特性光伏電池受外界環(huán)境如光照強度、溫度的影響很大，其輸出特性具有高度非線性。分別是利用PVsyst軟件［2］仿真的光伏電池在不同光照及溫度條件下的輸出特性。從圖中可以看出，隨著光照的增強輸出功率增大，隨著溫度的升高輸出功率減小，但在某一特定光照及溫度下存在一個最大功率點。

1.2光伏電池等效模型光伏電池本身就是一個P-N結(jié)，其基本特性與二極管相似。當(dāng)光伏電池受到陽光照射時，在PN結(jié)兩端便產(chǎn)生電動勢，即電壓。這時如果在P型層和N型層焊接上金屬導(dǎo)線，接通負載，則外電路便有電流通過，把這樣的光伏電池單體串聯(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，并輸出功率。光伏電池等效電路可由1個電流源并聯(lián)1個理想二極管及一系列電阻組成，如圖3所示。串聯(lián)電阻Rs包括電池柵極電阻、基體材料電阻和上下電基與基體材料的接觸電阻、擴散層橫向電阻。其中，擴散層橫向電阻是Rs的主要組成。

2MPPT控制算法

由圖1、圖2可以看出，光伏陣列的輸出特性受電池表面溫度和光照強度的影響很大，不同的光照及電池溫度都可導(dǎo)致輸出特性發(fā)生較大的變化，其輸出功率也發(fā)生相應(yīng)的變化，但是只有在某一輸出電壓值時，光伏陣列的輸出功率才能達到最大值。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏陣列的工作點，使之始終工作在最大功率點附近［4］。在MPPT系統(tǒng)中，確定優(yōu)良的算法是關(guān)鍵，本文采用電導(dǎo)增量算法。電導(dǎo)增量法是根據(jù)光伏陣列P-U曲線一階連續(xù)可導(dǎo)單峰曲線的特點，利用一階導(dǎo)數(shù)求極值的方法，即對P=UI求全導(dǎo)數(shù)。從光伏電池的P-U曲線可以看出，在某一特定光照及溫度下存在唯一最大功率點，且在該最大功率點處，功率對電壓的導(dǎo)數(shù)為零，即dP/dU=0。其中，U（k）、（Ik）分別為光伏電池當(dāng)前電壓和電流，U（k-1）、（Ik-1）為前一周期的采樣值。為了使光伏電池輸出發(fā)生任何變化時，算法能夠涵蓋所有可能出現(xiàn)的狀況，需要用U（k-1）、I（k-1）的值進行判斷。如果U（k）-U（k-1）=0，則相比于前一周期，該時刻的電壓是恒定的，輸出沒有發(fā)生變化。在這種情況下，需要對輸出電流做進一步判斷，如果（Ik）-（Ik-1）=0，則光伏電池的輸出也沒有發(fā)生改變，不需要調(diào)整BoostDC/DC（升壓）變換器的占空比；若（Ik）-I（k-1）<0，表明工作點是向最大功率點方向靠近，需要對BoostDC/DC變換器的占空比加一個正的調(diào)節(jié)量△U，使輸出達到最大功率點；若I（k）-I（k-1）>0，需對BoostDC/DC變換器的占空比加一個負的調(diào)節(jié)量-ΔU，使輸出朝向最大功率點靠近。

3MPPT控制仿真研究

3.1帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)基本組成由于光伏電池的電氣特性受光照、溫度的影響很大，當(dāng)環(huán)境條件穩(wěn)定時，存在唯一的最大功率點；當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時，即使負載保持不變，最大功率點仍將發(fā)生漂移。為了使負載在任何環(huán)境條件下都能獲得最大功率，本文在光伏陣列與負載之間加入MPPT控制裝置，帶有MPPT功能的光伏系統(tǒng)如圖5所示。該系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、MPPT控制裝置、BoostDC/DC變換器組成，通過脈沖寬度調(diào)制模塊（PulseWidthModulation，PWM）控制，調(diào)整BoostDC/DC變換器的占空比來實現(xiàn)MPPT［7］。

3.2MPPT控制仿真研究

3.2.1帶MPPT的系統(tǒng)仿真模型根據(jù)帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)建立matlab/simulink仿真模型如圖6所示。仿真模型主要由光伏電池陣列模型、MPPT、PWM、BoostDC/DC變換器以及負載等組成。圖6中，Subsystem是光伏電池陣列模型，L為儲能電感，Diode為快恢復(fù)二極管，C1為濾波電容，R為負載，IGBT為絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）。Subsystem內(nèi)部封裝的參數(shù)有電壓、電流溫度系數(shù)、串聯(lián)電阻、參考溫度（25℃）、參考太陽輻射（1000W/m2）、最大功率點電壓、最大功率點電流、開路電壓、短路電流。輸入?yún)?shù)有光照S、溫度T、光伏電池工作電壓U，輸出參數(shù)有光伏電池工作電流I、輸出功率P。其中，輸入端可以輸入任意光照和溫度，輸出端P即顯示MPPT輸出。PWM的輸入信號為帶有MPPT功能的光伏模塊的輸出電壓，即最大功率點對應(yīng)的電壓值，將該電壓作為指令信號，與光伏模塊的實際輸出電壓共同作用在BoostDC/DC變換器的IGBT上，通過改變IGBT的占空比，從而使光伏模塊的實際輸出電壓很好地跟蹤指令信號，即最大功率點對應(yīng)的電壓值。BoostDC/DC變換器利用儲能電感儲存的能量和電源一起向負載供電，達到升壓的目的。選擇HAMC制造的太陽能電池板進行仿真實驗，其技術(shù)指標(biāo)為：Um=16.5V，Im=0.73A，Uov=22.50V，Isc=0.97A，Pm=12W。仿真時采用的步長為0.01，系統(tǒng)采樣時間為0.5μs。圖7是電池溫度不變，光照強度t=0.05s時，突然由1kW/m2增加到1.5kW/m2時的仿真結(jié)果，圖8是光照強度不變，電池溫度t=0.05s時，突然由25℃變?yōu)?0℃時的仿真結(jié)果。

3.2.2仿真結(jié)果分析從圖7仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電池溫度不變，光照由1kW/m2增加到1.5kW/m2，在t=0.05s時，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW增加到15kW，增加幅度為+3kW，光伏陣列輸出功率曲線會發(fā)生較小的突變，但是在新的功率點能快速趨于平穩(wěn)，使光伏陣列工作在最大功率點。從圖8仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)光照強度不變，電池溫度由25℃變?yōu)?0℃，在t=0.05s時，光伏陣列輸出功率也隨之由12kW降低到10kW，降低幅度為-2kW，經(jīng)過較小的突變后，系統(tǒng)也能及時地跟蹤到最大功率點，使光伏陣列輸出功率達到最大值。從圖1、圖2中得出，光伏電池在某一特定光照及溫度條件下，存在一個最大功率點，并且在最大功率點以后，光伏電池輸出功率急劇下降，最后下降為0。本文在光伏陣列與負載之間加入基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制裝置以后，從圖7、圖8的仿真結(jié)果可以看出，在光照、溫度其中任何一個環(huán)境條件發(fā)生變化時，系統(tǒng)都能夠?qū)崟r地跟蹤其變化，能使系統(tǒng)始終工作在最大功率點的范圍內(nèi)，穩(wěn)定性高，從而有效提高了太陽能的轉(zhuǎn)換效率。

4實用化應(yīng)用探討

在實際光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在輸出參數(shù)實時變化的光伏陣列與負載之間接入MPPT控制裝置時，需要進一步做以下工作：（1）采用單片機或數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessors，DSP）實現(xiàn)對電導(dǎo)增量算法的編程，并進行MPPT控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計。通過檢測光伏陣列的輸出電壓、輸出電流變化，利用軟件的精確算法來控制BoostDC/DC變換器的占空比，實現(xiàn)MPPT。（2）從光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體出發(fā)，綜合考慮安全性、實用性、經(jīng)濟性等方面的要求，設(shè)計MPPT控制系統(tǒng)的輸入、輸出接口電路，對其可靠性、穩(wěn)定性做并網(wǎng)測試。（3）綜合考慮光伏陣列的光電轉(zhuǎn)化效率、溫度范圍、電氣參數(shù)（輸出功率、峰值電壓、峰值電流、短路電流、開路電壓、系統(tǒng)電壓）等技術(shù)參數(shù)，對光伏電池充放電策略及充放電控制器做進一步研究。

5結(jié)論

（1）本文提出的基于電導(dǎo)增量法MPPT控制方法，通過PWM控制實現(xiàn)，能使光伏發(fā)電系統(tǒng)在任何環(huán)境條件以及負載變化情況下快速實現(xiàn)MPPT，且穩(wěn)態(tài)精度高。（2）本文采用PVsyst軟件對光伏電池的輸出特性進行仿真研究，其方法為相關(guān)行業(yè)掌握光伏電池的輸出特性提供了新的途徑；建立基于電導(dǎo)增量法的MPPT控制模型，為解決實際光伏系統(tǒng)最大功率點漂移問題提供了理論依據(jù)。（3）下一步研究需要利用單片機或DSP進行MPPT控制系統(tǒng)的軟、硬件及接口電路設(shè)計，并對其可靠性、穩(wěn)定性做并網(wǎng)測試，以實現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT的實用化。

作者：韓世軍 朱菊 毛吉貴 強榮 秦力 韓大俠 單位：國網(wǎng)寧夏電力公司吳忠供電公司 神華寧煤集團烯烴公司