光伏发电系统常用mppt算法仿真分析综述.pdf

国鼷 光伏发电系统常用 mp p t 算法 仿真分析综述 陈丹 平 ( 三峡大学电气与新能源学院， 湖北宜昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 ： 分析 了几种常用的最大功率跟踪算法的原理 ， 在对它们用 ma t l a b s i mu l i n k进行仿真分 析后 ， 提 出了几种改进的算法， 并分析 了它们的优缺点， 以期进一 步提高光伏发 电系统 太阳能的利 用率。分析 了几种常用最大功率 踪算法的原理， 在 mat s i n k中对这些方法进行 了仿真 分析 并分析总结 了这几种常用方法的改进措施。 关键 词 ： 光 伏 电池 ； 最 大功率跟 踪 ；议 进措 施 s u mma r y o f co mmo n l y u s e d m ppt al g o r i t h m s i mu l a t i o n an a l y s i s f 0 r ph o t o v o l t a i c po we r ge n e r a t i o n c he n da n p i n g， chen xi a o w e i ， z hang s h a o x i a n ( e l e c t ri c a n d n e r e n e r g y s h o o l ， t h r e e g o r g e s u n i v e r s i t y ， y i c h a n g h u b e i 4 4 3 0 0 2 ， c h i n a ) ab s t r a c t ：t h e p r i n c i p l e o f s e v e r a l c o mmo n l y u s e d ma x i mu m p o we r p o i n t t r a c k i n g a l g o rit h m i s a n a y z e d a n d s i mu l a t e i o n i s ma d e b y ma t l ab s i mu l a t i o n f i n a l l y ，i mp r o v e d me t h o d s b a s e d o n t h e p r o p o s e d c o mmo n l y us e d me t ho ds a r e g i v e n ke y wo r d s ： p h o t o v o h a i c c e l l ； m a x i m u m p o w e r p o i n t t r a c k i n g ( mp p t ) ； i m p r o v e m e n t me a s u r e s 中 图分 类 号 ： t m6 1 5 文 献标 志码 ： a 文章 编号 ： 0 2 1 9 2 7 1 3 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 0 0 9 0 5 对 于 可 再 生 能 源 来 说 ，最 大 功 率 点 跟 踪 ( mp p t ) 是一个非 常重要的能量转换系统 。在确定 的外部条件下 ， 随着负载 的变化 ， 太 阳能电池 阵列 的输出功率也会变化 ， 但是存在一个最大功率点 尸 m 以及与最 大功率点相对应 的电压 和电流 ， m 。当 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 3 2 0 工作环境变化时 ，特别是 13照度和环境温度变化 时，太 阳能电池阵列的输出特性曲线也随之变化 ， 与之相对应的最大功率点也随之改变，为了实时从 光伏阵列获得最大输出功率，需要在光伏发电系统 中实现最大功率点的跟踪控制。 普遍 较常用 的太 阳能 电池最大功率点追踪法 有恒电压跟踪( c v t ) 、 扰动观察法 ( p & q) 、 电导增量 一 0 一 第 1 5 卷第7 期 2 01 2 年7月 鼋渌技 左阕 p o w er s up p l y t e c hnol ogi e s and ap p l i ca t i ons v 0 i 1 5 no 7 法 ( i n c c o n d ) ， 本 文在分 析这 几种 常用方 法 原理 的基 础上 ， 在 ma t l a b s i u m l i n 中对这几种常用 mp p t方 法进行 了仿真分析。并基于这些常用简单的方法总 结 了一 些改 进 的方法 。 1 光伏 电池最大功率跟踪的原理 由图 1 所 示 的 光伏 电池 ， 一 和 p 特性 曲线 可 看 出 ， 光 伏 阵 列 的 电压 、 电流 和 功率 输 m 随光 照 和温度 的变化是在不断变化的。 日照越强 光伏阵 列 的输出电流越大 ： 温度越高 ， 光伏 阵列的输 出电 压越小。但在一定的 日照和温度下 ， 光伏阵列 的输 出都只有一个最大功率点( mp p ) 。为了适应周边环 境 的变化 ， 充分利用太阳能资源 ， 光伏发电系统采 取在光伏阵列和负载间加入具有最大功率点跟踪 功能 的 电 力 电子变 换器 ， 实 现 太 阳能 电池 的动 态 自 寻优 功能 实 时追踪 最大 功率 。 ( a ) = 2 5 。 c 时 ， 不 同光 照 强度 下 的 卜 、 p _ 曲线 一 1 0一 ( b ) =1 0 0 0 w m 时 ， 不 吾 j 温 度 一 f的 u、 pu曲 线 图 1 太 阳能 电 池 的输 出特 性 曲 线 功 率变 化器 可 以是 d c d c变换 器 ，也 可 以是 d c a c变换器。通过 d c a c变换器实现最大功率 跟 踪 ， 由于变 换 器还 要 实 现 逆 变 控制 ， 而逆 变 控 制 复杂 ，所 以一般使用 d c d c进行最大功率跟踪 ， 并 结合 b o o s t 变换电路 ， 既实现了最大功率跟踪 ， 也解 决了光伏 电池并网电压偏低 的问题 。在实际系统 中 ，通 过对 光伏 阵列 当前输 电压 和 电流 的检测 ， 得到当前阵列的输出功率 ， 再与前一时刻得到的阵 列输出功率进行 比较 ， 舍小存大 ， 再检测再 比较 ， 如 此循环 可使光伏阵列工作在最大功率点或其 附 近。具体控制 图如 图 2所示 ，但 实际中如果不加 mp p t控制很难达到最佳匹配 ， 图 2中所用 b o o s t 变 换器工作在电感 电流连续状态 ， d为功率开关管的 占空 比。对 于理想 的 b o o s t 变换 器有 瓣 圆罐 = 厶= 则 其 等效输 入 阻抗 为 r 尺 。 ( 1 一 d) ( a )最 大 功 率跟 踪 控 制 图 ， ， 、 如图 3所示。 1 ( 2 ) ( 3 ) ( b )m p p t 逻 辑 图 图 2 m p p t 控 制 原 理 图 当 b o o s t 变换器实际负载的阻抗一定时 ，改变 开关 占空 比就可以改变变换器的等效输入阻抗 即可 改变 光伏 电池 的等 效 负载 ， 进 而 改变 光 伏 阵列 的工 作点 和输 出功率 。按 一定 的控 制规 律控 制功 率 变换器 占空比的变化过程 ， 就可 以使光伏电池t作 于某一特定条件下 的最大功率点处或其附近很小 的变化 范 围之 内 ， 从 而实 现 光伏 系 统 的最 大功 率 点 跟踪 2 常用 mp p t算 法原理分析及仿真分析 对 比 2 1 恒定 电压 法 由图 1中的 p - u曲线 可 以看 出 ，温度 一定 时 ， 在不 同的 日照强度下 ， 太阳能 电池 阵列输出曲线的 最大功率点可 以看 出是大概分 布在一条 直线 的附 近。因此 ， 可 以近似 的认 为光伏阵列输出电压为一 常数 ( 开路 电压的 0 7 8倍 ， 即可得到最大功率 点对 应 的工作电压 ) ，然后不断 比较阵列 电压和恒定 电压 ， 当他们的差在一定 的误差范 围内， 就可 以大 致保证在该温度下太阳能电池阵列输 出最大功率。 这样 ，实际上是把 m p p t控制简化为稳压控制 ， 这 就构 成 了恒 定 电压式 的 mp p t控制 。其控 制流 程 图 图 3 恒 疋 电 压 法 流 程 图 2 2扰 动观 察法 光伏 发 电 系 统 实 际 中常 用 的 mp p t法 的基 本 思想都是调整系统的输出电压 ， 从而达到系统最优 工作 点。在最大功率点跟踪过程中， 就是要不断调 整输出电压 ， 使得 d p d u = 0 ( p表示光伏 系统输 功 率 ， m表示光伏系统输出电压) 。 扰 动观 察 法就 是不 断 的给 电压一 个 增量 ， 计 算 输出功率 ，比较此时功率与上一时刻功率的大小 ， 如果 功率增大 ， 则 说明还没到最大功率点 ， 则继续 朝着原来的方向扰动。 若功率减小 ， 则朝着相反的方向扰动 ： 否则就是 达到了最大功率 ， 停止扰动。其流程 图如图 4所示。 图 4 扰 动观 察 法流 程 图 第 l 5 卷第7 期 2 0 1 2 年7 月 鼋渌技术 石阖 p ower s up p l y t e chnol o gi es and ap p l i c at i ons v0 1 1 5 no 7 j u l y 2 01 2 2 3 电导增 量法 由光伏 电池 的 p _ 曲线 可 以看 出 ， 在 最大 功率 点处的斜率为零 。通过简单的数学推导可以得出在 最大功率点处有下式成立 = 0( 3 ) 一 i ：一 ( 4 )d u u 。 在最 大功 率点 右边 有 0 。 上述 表 明 太 阳能 电 池 阵列 工作在最 大 功率 点的条件是 ： 输出电导 的 变化 量等于输 出电导 的 负值 。若不相等 ， 则判断 d p 大 于 零 还 是 小 于 零 。 其 控制 流程 如 图 5所示 通过编写不同 mp p t算法 的 s函数程序 ， 并封装成 模 块 。 输 出的参 考 电压与 载波 比较后 生成 p wm 波 驱动 b o o s t 电路的导通与关断 ， 从而控制 b o o s t 升压 电路的来调节 占空比， 以期找到最大功率 。仿真 电 路模型图如图 6所示。 图 5 电导 增 量 法流 程 图 3 仿真分析 基 于 以上各 常 用 mp p t原 理 分析 ，本 文在 ma t l a b s i m u l i n k中搭 建光 伏 电池 的通 用模块 。并 一 1 2一 图 6仿 真 电路 图 取温度 2 5 c c ， 光照强度从 0 2 s 的 g _ 6 0 0 w m 突变到 o 4 s 的 g = 1 0 0 0 w m ， 分别 对恒 定 电压法 、 扰动观察法 、 电导增量法进行仿真分析 ， 仿真波形 分别如图 7中的( a ) 、 ( b ) 、 ( c ) 所示。 由图 7 ( a ) 可知 ， 恒 定 电压 法在 外部 环 境一 定时 ， 可 以很好 的追踪 到 最大 功率 点 ，但 在 0 4 s当光 照 突 然发 生 改 变 时 ， 先 是 没 有追 踪 到 最 大 功 率 ， 并 且 产生 了较 大的扰动 ， 最后外部环境平稳后功率才稳 定 的输 出。这说 明 ， 恒 定 电压 对环 境 改变 的适 应 性 比较差 当环境改变时 ， 会产生较大的能量损失 。 由图 7 f b ) 可知 ， 扰动 观察法 实 现简单 ， 不 需要 复 杂 的逻