基于S函数的光伏最大功率跟踪技术应用及其仿真

1、摘要：针对当前能源紧张的局面，太阳能作为绿色能源越来越受到世界各国的重视。为了提高光伏发电系统的输出效率，提出了改进的变步长扰动观察法。以光伏电池数学模型为基础，调节光伏电池的输出电压，从而实现最大功率跟踪。在Matlab仿真环境下，利用S函数构建光伏最大功率跟踪模块，可以模拟实际光伏电池模块在不同光照强度及温度下的I-V，P-V特性。仿真结果表明该算法能够在快速跟踪最大功率点变化的情况下保证跟踪精度，证明了所建模型及其算法的合理性和实用性。关键词：光伏发电;最大功率跟踪;S函数;扰动观察法1 引言人类步入2l世纪，随着科技的不断进步，人们的生活水平也在不断提高，对能源的依赖程度也越来越大。不

2、可再生能源的过度消耗，同时又带来全球气候变暖、环境污染以及资源枯竭等社会问题。为了解决这些问题，人们把目光投向可再生能源上，希望能改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，因此太阳辐射能进入了人们的视野。由于受外界多种因素影响，例如光照强度、温度、负责特性等等，光伏发电12的输出特性具有明显的非线性。在一定的光照强度和温度环境，光伏电池的输出功率随工作电压变化成单凸峰曲线，而光伏电池只有工作在曲线的顶点处才会输出最大的功率，称之为最大功率点。要想提高光伏发电系统的发电效率，其关键就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终保持在最大功率点附近。由于最大功率点随外界因素影响而变化，因此最大功率点跟踪技

3、术67即成了重中之重。2光伏模块的数学模型34单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，一般来说电压只有0.5V左右，输出功率只有12W，不能满足作为电源应用的要求。为提高输出功率，需要将多个单体电池封装成光伏模块，再将多个光伏模块组成光伏阵列，然后以光伏阵列的方式进行输电。本文用于Matlab建模5的光伏模块的数学模型为：3 固定步长扰动观察法8扰动观察法(Perturbation and Observation,P&Q)也称为爬山法(Hill Climbing，HC)。其工作原理是在光伏电池某一工作电压上主动施加一个小电压扰动，观察观察光伏电池输出功率的变化方向，扰动观察法的跟踪示意图如

4、图1所示。根据图表显示，如果功率增大则继续同向扰动，若功率减小则反向扰动、扰动观察法控制结构简单、测量参数少、容易实现，因此在光伏电池的最大功率点跟踪技术中得到了广泛应用。但是因为其固定步长，当达到最大功率点附近时会产生震荡现象，降低了发电效率。减小每次调节的幅度能够一定程度上减缓最大功率点附近的震荡，但却使系统对外界环境变化的跟踪减慢，同样会降低发电效率。4 变步长扰动观察法采用固定步长的扰动观察法，跟踪效率明显降低，本文采用变步长的扰动观察法，以电压调节电路的占空比D作为控制参数对最大功率点进行跟踪。直接把占空比D作为控制参数只需要一个控制循环，减小了控制器的设计难度。光伏电池输出功率P随

5、占空比D变化的关系如图2所示。变步长扰动观察法的思想是在远离最大功率点时，选取较大的步长快速接近系统最优工作状态;在最大功率点附近，选取较小的步长以减小或避免系统振荡。通过光伏电池的P- D曲线可知，功率对占空比导数的绝对值|dP/dD|在接近最大功率点时逐渐变小。为此，可以用下式构造实时步长：5 光伏阵列仿真模型基于上述数学模型，本文利用Matlab环境中的Simulink工具，结合S函数，建立了光伏模块的仿真模型如图4所示，T为当前环境温度输入，R为当前太阳辐射强度输入，U为光伏模块的工作电压，Iop为光伏模块电流输出，Umax为最大功率点电压输出，Imax为最大功率点电流输出。图5为光伏

6、封装模块参数输入界面，图6光伏模块仿真模型内部结构，其中，PV module模块为S函数，用以确定任意太阳辐射和环境温度下光伏模块的P-V，I-V关系和进行光伏模块的最大功率追踪。6 仿真结果与分析光伏模块仿真框图如图7所示。7 结论在针对传统的固定步长扰动观察法最大功率点附近震荡的不足下，本文提出利用改进的变步长扰动观察法，通过改变光伏电池的输出电压，从而实现最大功率跟踪。在构建的光伏电池数学模型的基础上，利用S函数构建光伏最大功率跟踪模块，可以模拟实际光伏电池模块在不同光照强度及温度下的I-V，P-V特性。仿真结果表明该算法能够在快速跟踪最大功率点变化的情况下保证跟踪精度，证明了所建模型及

7、其算法的合理性和实用性。参考文献1 崔容强,赵春江,吴达成.并网太阳能光伏发电系统M.北京:化学工业出版社, 2007.72 杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术M.北京电子工业出版社.3 2009吴海涛,孔娟,夏东伟.基于MATLAB/ Simulink的光伏电池建模与仿真 J.青岛大学学报:自然科学版,2006,214 茆美琴,余世杰,苏建徽.带有MPPT 功能的光伏阵列Matlab 通用仿真模型J系统仿真学报,2005,55 王晶,翁国庆,张有兵.电力系统的Matlab/ Simlink 仿真与应用M.西安:西安电子科技大学出版社,2008.6 Giovanni Petrone,

8、 Giovanni Spagnuolo,Massimo Vitelli.A Multivariable Perturb-and-Observe Maximum Power Point Tracking Technique Applied to a Single-StagePhotovoltaic Inverter.IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol.58,No.1,January 20117 Fu-Sheng Pai, Member, IEEE, Ru-Min Chao, Shin Hong Ko, and Tai-Sheng Lee.Performance Evaluation of Parabolic Prediction to Maximum Power Point Tracking for PV Array.IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol. 2, No.