作者/ 魯兵¹ 宋桂英¹ 王云濤¹ 邱晗² 趙曉明¹ 1.河北工業大學 電氣工程學院(天津 300130) 2.天津天傳新能源電氣有限公司(天津 300180)

摘要：光伏發電對于氣象條件的依賴比較嚴重。為了使光伏電池產生盡可能多的電能，需要對其進行最大功率點跟蹤控制。本文提出了一種雙模式最大功率點跟蹤控制方法，此方法結合了短路電流法和電阻增量法的優點，通過Simlink仿真可知，應用這種雙模式控制方法的光伏系統在陽光突變時能夠快速地重新達到最大功率點，并有效降低光伏系統在最大功率點處的震蕩，減少了系統功率損耗。

引言

　　光伏發電因具有污染小、可再生等優點而受到世界各國的重視^[1]。當光伏系統進行發電時，其發電量受到光照強度、環境溫度的影響。為了更好地使光伏系統在不同環境下盡可能發出最大功率，使用最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)技術，在外界環境發生突變時，使光伏系統能穩定、快速地跟蹤到最大功率點繼續運行^[2]。

　　目前常用的MPPT方法有恒定電壓法、電導增量法、擾動觀測法等^[3-4]，這都是對光伏電池電壓尋優的方法。對于Boost變換器而言，對電流進行尋優控制可以使電路性能更優越^[5]。定步長電阻增量法就是一種基于電流尋優的MPPT方法，其控制精度較高，響應速度較快。但由于其跟蹤步長固定，所以跟蹤的快速性和系統的穩定性不能同時兼顧。本文提出了一種雙模式MPPT方法，此法結合了短路電流法和電阻增量法的優點，可以在光照突變時，快速準確地達到新的最大功率點(Maximum Power Point, MPP)，并且在MPP附近震蕩較小，從而實現較為理想的控制效果。

1 光伏電池數學建模

　　在光伏發電系統的設計中，為了更好地分析光伏電池的性能，使其與光伏控制系統匹配，達到最佳的發電效果，需要建立光伏電池的數學模型。通過這些數學關系，來反映光伏電池各項參數的變化規律。光伏電池等效電路圖如圖1所示^[6]。

　　從圖1中可以得出以下關系式：

　　式(2)中，Iph是光子在光伏電池中激發的電流，I0是二極管的總擴散電流，q是電子電荷(1.6×10^-19C)，K是玻爾茲曼常數 (1.381×10^-23J/K)，T為熱力學溫度，RS和Rsh分別為光伏電池的串聯、并聯電阻，A為二極管特性因子，k為波爾茲曼常數( k =1. 38 × 10^-23J/ K) ，T為光伏電池溫度。

　　式(2)是建立在物理原理上的實際光伏電池的解析表達式，其表達式極其復雜。為符合工程的實際應用，本文對公式(2)做兩點近似處理：①由于R_S遠小于二極管的正向導通電阻，因而可忽略，所以光生電流近似等于短路電流，即I_ph=I_sc;②由于R_sh非常大(KΩ)，因此，U_d/R_sh非常小，近似于開路，該項可省略。得出進一步的光伏器件的簡化數學模型為：

　　圖2為光伏電池在溫度為25℃，不同光照強度下的I-U、P-U和P-I曲線，由圖可知，其輸出特性是非線性的，在一定的溫度和光照強度下，光伏電池具有唯一的最大功率點。

　　根據光伏電池的簡化數學模型公式(5)，用Simulink建立了光伏電池的通用仿真模型。如圖3所示。

2 雙模式MPPT控制方法

　　光伏發電廠周圍氣象環境的變化直接影響著光伏系統的發電效率。對光伏電池進行MPPT控制能夠使得發電系統在氣象環境變換的情況下時刻保持最大的功率輸出。本文借鑒目前工程上常用的、研究最多的電導增量法，提出一種采用電流尋優的MPPT方法——電阻增量法，再通過與短路電流法相結合，得到一種雙模式控制算法。

2.1 短路電流法工作原理

　　短路電流法利用光伏電池關系式I_MPP≈k×ISC(IMPP為光伏電池最大功率點電流，I_SC為光伏電池短路電流，系數k的值取決于光伏電池的特性，一般取0.78左右)進行光伏電池輸出功率的控制，因此，只要知道I_SC就能使光伏電池的輸出功率接近最大功率點。由圖2(c)中的光伏電池P-I特性曲線可知，光伏電池的短路電流I_SC與光照強度同樣有近似比例關系。因此，可以在線測得光照強度，從而得到I_sc，進而得到I_MPP。在外部光照強度突變時，應用短路電流法能使光伏電池輸出功率快速達到新的MPP附近，但控制精度差。

2.2 電阻增量法工作原理

　　借鑒電導增量法原理，本文提出了基于光伏電池電流尋優的電阻增量法，此法繼承了電導增量法的全部優點，控制精度較高，響應速度較快。電阻增量法的判斷依據為：當前光伏陣列的P-I曲線斜率為零時，在MPP點;為正時，在MPP左邊;為負時，在MPP右邊。即：

　　因此，可以通過判斷U+IdU/dI的符號來實現跟蹤策略。假設在最大功率點處I_ref=I_MPP，光伏陣列將維持這個點直到ΔU發生變化，然后通過增加或者減少跟蹤步長I_ref，達到新的最大功率點，其流程圖如圖4所示。其中：U(k)和I(k)為光伏電池電壓和電流的采樣值，U(k-1)和I(k-1)為前一周期采樣值。I_ref為MPP處電流參考值，Istep為跟蹤步長。跟蹤步長太大，跟蹤響應速度快，但在最大功率點附近會產生很大的震蕩，使系統不穩定;跟蹤步長太小則會使響應速度太慢。

2.3 雙模式MPPT控制方法工作原理

　　定步長電阻增量法在外界環境穩定情況下，MPPT控制效果較好，對光伏器件的利用效果較高，但存在最大功率點處功率振蕩現象。此外，在日照突變情況下，會失去對MPPT的控制能力。由短路電流法特性可知，雖然該方法控制精度差，但在外部環境突變的情況下，仍能快速使光伏器件輸出功率跟蹤日照的變化。為使光伏發電系統能夠快速響應日照變化，且能在最大功率點處盡量減少震蕩，本文提出了將短路電流法和電阻增量法相結合的MPPT控制方法，即一種雙模式 MPPT控制方法。