摘  要： 在分析光伏陣列的數(shù)學(xué)模型和輸出特性的基礎(chǔ)上，提出了自適應(yīng)擾動(dòng)控制算法,。對(duì)該算法進(jìn)行了理論分析,，建立了光伏系統(tǒng)的仿真模型，并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真,。仿真結(jié)果表明,，系統(tǒng)能夠快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)，在光照強(qiáng)度突變的情況下也能快速追蹤到最大功率點(diǎn),，具有較好的控制性能,。
關(guān)鍵詞： 光伏陣列特性；最大功率跟蹤,；仿真

　光伏電池在太陽(yáng)光照射下可以發(fā)電并帶動(dòng)負(fù)荷,，但其生產(chǎn)成本偏高，發(fā)電效率較低,。而利用最大功率跟蹤技術(shù)可以提高太陽(yáng)能的利用率,，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本，提高光伏發(fā)電的性價(jià)比,，有效地推動(dòng)了光伏發(fā)電的應(yīng)用[1],。目前常用的最大功率跟蹤方法有擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等,，這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn),。本文介紹了一種自適應(yīng)擾動(dòng)觀察法MPPT控制方法并對(duì)其進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明該方法具有較好的控制性能,。
1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型
　如圖1所示,，把光伏電池看成能穩(wěn)定產(chǎn)生光電流Ig的電流源，與之并聯(lián)的有一個(gè)處于正偏電壓下的二極管及一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh,。二極管的正向電流ID和旁路電流都要靠Ig提供,，剩余的光電流經(jīng)過(guò)串聯(lián)電阻Rs流出太陽(yáng)能電池進(jìn)入負(fù)載Ro[2]。

　光伏電池輸出特性方程為：

　式中,，Ig為光生電流,；Id為二極管飽和電流；q為電荷電量(1×10-19C),；A為二極管因子,；K為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-25J/K)；T為開(kāi)氏溫度(K),；Vo為電池的輸出電壓,；Io為電池的輸出電流；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻,；Tr為參考溫度(K),；Idr為暗飽和電流(A)；EGo為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度(J),；ISCR為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下光伏電池的短路電流(A),；KI為短路電流的溫度系數(shù)(A/K)。
　本文根據(jù)光伏電池的輸出特性建立仿真模型,，得到了光伏電池的I-U特性曲線和P-U特性曲線,。圖2、圖3分別為光伏電池在溫度不變,、光照強(qiáng)度由1 000 W/m2~200 W/m2情況下的I-U和P-U特性曲線,，從圖中可以看出光伏電池的輸出功率在不同的光照強(qiáng)度下的變化。圖4,、圖5分別為光伏電池在光照強(qiáng)度不變,，溫度由20℃~100℃情況下的I-U和P-U特性曲線，從圖中可以看出光伏電池的輸出功率隨著溫度的升高而緩慢減??；光伏電池是一種非線性直流電源，最大功率點(diǎn)隨著日照情況和溫度的變化而變化[3],。每條曲線都存在一個(gè)最大功率點(diǎn),，這個(gè)功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)唯一的電池輸出電壓。因此通過(guò)調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓使其趨近最大功率點(diǎn)就可以實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤,。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究
　最大功率跟蹤通常采用的方法有電壓反饋法,、直線近似法、功率反饋法,、擾動(dòng)觀察法及電導(dǎo)增量法。最常用的是擾動(dòng)觀察法和電導(dǎo)增量法,，它們的實(shí)質(zhì)都是通過(guò)光伏陣列的端電壓,，即根據(jù)不同的光照強(qiáng)度及溫度環(huán)境不斷調(diào)整端電壓,，以保證光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)[4],。
2.1 擾動(dòng)觀察法
　擾動(dòng)觀察法是目前最大功率跟蹤技術(shù)中經(jīng)常被采用的方法之一，其工作原理是通過(guò)電壓和電流傳感器對(duì)光伏陣列輸出電壓及電流分別進(jìn)行采樣,，并計(jì)算獲得其輸出功率,，即為當(dāng)前光伏陣列的輸出功率,，然后每隔一段時(shí)間增加或減小光伏陣列的輸出電壓，再次測(cè)量出其輸出功率,，然后與擾動(dòng)之前的功率值相比,，如果功率增加表示擾動(dòng)方向正確；如果擾動(dòng)后功率值減小，則應(yīng)往相反的方向擾動(dòng),。該方法算法簡(jiǎn)單,，且易于硬件實(shí)現(xiàn)，但響應(yīng)速度較慢,，只適用于日照強(qiáng)度變化比較緩慢的場(chǎng)合,。但在穩(wěn)態(tài)情況下，這種算法會(huì)導(dǎo)致光伏陣列的實(shí)際工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)附近小幅振蕩,，造成一定的功率損失,；而日照發(fā)生快速變化時(shí)，跟蹤算法可能會(huì)失效,，導(dǎo)致跟蹤方向判斷錯(cuò)誤,。
　自適應(yīng)擾動(dòng)控制法通過(guò)測(cè)量輸出功率的變化值，確定當(dāng)前情況下跟蹤的步長(zhǎng),，即根據(jù)功率的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)跟蹤步長(zhǎng)的值,，從而調(diào)整光伏陣列的輸出功率，使其快速達(dá)到最大功率點(diǎn)并基本穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn),。要使光伏陣列輸出功率最大應(yīng)滿足Pk-Pk-1=0,。當(dāng)Pk-Pk-1>0時(shí)，表示系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)左邊,；當(dāng)Pk-Pk-1<0時(shí),，系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)右邊，通過(guò)前后功率變化的正負(fù)來(lái)確定擾動(dòng)方向,。
　自適應(yīng)擾動(dòng)控制法流程圖如圖6所示,，|ΔPk|作為控制的判斷變量，e為最大功率跟蹤誤差范圍,，a(k)為步長(zhǎng)的變化量,，可得出如下關(guān)系：

　實(shí)現(xiàn)在不同的環(huán)境條件下采用不同的跟蹤步長(zhǎng)，可使系統(tǒng)能夠快速達(dá)到最大功率點(diǎn),。
2.2 最大功率跟蹤系統(tǒng)的Simulink建模
　本文利用Matlab/Simulink建立系統(tǒng)仿真模型,，如圖7所示。整個(gè)系統(tǒng)包括：光伏陣列模塊,、MPPT模塊,、PWM模塊和升壓變換器DC/DC模塊。MPPT模塊通過(guò)光伏陣列的輸出電流和電壓,，經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)后,，由零階保持器采樣，并與前一次的電壓和功率進(jìn)行比較,，確定電壓擾動(dòng)的方向和補(bǔ)償,，從而實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤的控制。PWM模塊為輸出可變占空比的方波驅(qū)動(dòng)升壓電路的IGBT開(kāi)關(guān)管。DC/DC變換模塊包括電感,、開(kāi)關(guān)管,、二極管、電容器和負(fù)載,，通過(guò)BOOST升壓電路調(diào)節(jié)輸出功率實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤控制,，變步長(zhǎng)擾動(dòng)控制和PWM產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)的控制，將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵鯷5],。

3 仿真結(jié)果及其分析
　系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真采用變步長(zhǎng)的ode23tb仿真,，最大步長(zhǎng)和最小步長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)，相對(duì)誤差允許范圍為1×10-3,，絕對(duì)誤差為自動(dòng)調(diào)節(jié),，仿真時(shí)間設(shè)為0.1 s。
　圖8為自適應(yīng)擾動(dòng)控制法仿真研究的輸出功率和電壓波形,，系統(tǒng)根據(jù)采樣到的功率和電壓值調(diào)整控制電路輸出,，大約在0.015 s，其輸出功率基本趨于穩(wěn)定,。當(dāng)系統(tǒng)在0.05 s時(shí)改變外界的條件,，在0.065 s重新達(dá)到最大功率點(diǎn)，且輸出功率基本趨于穩(wěn)定,。

　從仿真結(jié)果可知,，系統(tǒng)在0.015 s的時(shí)間內(nèi)克服了擾動(dòng)，跟蹤到最大功率點(diǎn),，并且基本穩(wěn)定在最大功率點(diǎn),，具有較好的動(dòng)態(tài)性能和精度，取得了良好的控制性能,。
　本文在分析光伏陣列數(shù)學(xué)模型和輸出特性的基礎(chǔ)上,，采用自適應(yīng)擾動(dòng)控制法對(duì)光伏陣列最大功率跟蹤進(jìn)行了研究，通過(guò)Matlab/Simulink仿真對(duì)該方法的可行性和正確性進(jìn)行了驗(yàn)證,。采用此種算法跟蹤速度快,，即使在外界條件突變的情況下，系統(tǒng)也能夠快速,、準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，具有良好的控制性能,，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)的振蕩很小,。
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