PV系统的变电压MPPT算法及仿真

由式（１）一（５），Ｐ可表示为式（１１）．当光伏输出最
大功率时，由式（８）和（１１），最佳输出电流与电压‰ 和‰满足下式：
／ｍｐｐｔ＝，ｐｈ—Ｉｐｈｅｘｐ（（‰一ｋ）赤）一１（１２）
影响太阳能电池输出功率的因素有３方面： （１）电阻的影响首先，串、并联电阻大小对于 太阳能电池输出效率是有影响的，但由式（９）、（１０） 可知，串、并联电阻对太阳能电池的影响在理想情况 下可以忽略．在实际使用中，串联电阻值增大，会引 起光伏变换效率和短路电流下降，但对开路电压影 响不大，Ｒ。对光伏输出特性影响较大，必须加以考 虑．其次，在两种不同照度条件下，求取光伏输出的两
踪到最大功率需要温度补偿．在２５℃时，最大输出
功率不需要温度补偿．而在其它温度下，温度补偿系 数为０．００３／Ｋ．在ｔ＞２５℃时，温度补偿系数为正，否
则为负．温度补偿公式为
△。＝０．００３（ｔ一２５）
（１８）
从图４（ｂ）可以看出，同温度不同照度下，
万方数据
第２期
２。 １５
≮１０
钆 ５
。
２５ ２０ １５ ≥
（２）ｎ和，ｎ的影响对于任意一块太阳能电池 板而言，ｎ和，。都是不同的，这两项不仅对光伏输出 特性有影响，而且都是未知常数，对于不同的单个太 阳能电池而言，ｎ的取值范围为４０—１１０，，。的取值 范围为０．２～５００“Ａ．如果可以找到一种方法简单 地得到这两项值，最大功率跟踪就容易多了，文中将
提出一种求取ｎ和Ｌ的新方法． （３）ｔ和太阳日照强度．ｓｉ的影响 这两项对太
条直线上，即当ｎ时刻的最佳电压ｋ刚（凡）取为Ｋ 倍的Ｋ。．（ｎ）时，最大功率近似处于一条直线上．当Ｋ 确定后，即确定了近似最佳输出电压后，系统就可以 快速达到最大功率近似点．而如果凡和，。已知，代 入式（５）即可得到该时刻的，。．，将该值代入式（７）， 就可得到该时刻的ｋ．ｎ和，。的求取稍后介绍¨。１．
中图分类号：ＴＫ５１
文献标识码：Ａ
能源是人类社会存在与发展的重要物质基础． 而目前的世界能源结构是以不可再生的资源煤、石 油和天然气等为基础的．随着世界经济的发展，能源 的消耗不仅导致大量的污染物排放，而且破坏生态 与环境．为了保护环境和人类的可持续发展，必须大 力开发利用可再生能源．各种可再生能源的利用和 研究已经日益受到世界各主要发达国家的重视，成 为解决能源危机和环境问题的有效手段之一¨圳．光 伏（ＰＶ）发电系统可以将能量巨大的太阳能转换成 为电能，是未来发电的重要方式之一．许多文献已经 对光伏系统的应用领域、最大功率跟踪策略和拓补 结构进行了分析一巧Ｊ，但系统也面临费用高、效率 低、输出电能不稳定等一系列问题．对于昂贵的光伏 发电系统而言，高效的最大功率跟踪算法是必要 的∞。９ Ｊ，如恒定电压法、扰动观察法、增量电导法、短 路电流法、模糊法等在许多文献中都被提及．针对常 规跟踪算法在快速跟踪最大功率点的过程中存在的 精度低、适应性差和跟踪效率低等诸多弱点，文中研 究的最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）控制算法以最大输出功率 和最佳输出电压间所存在的线性关系为基础，找到最 大功率近似点，再利用综合补偿算法，快速跟踪到实
个最大功率点处的电压差ＡＵ和电流差△，，并根据公 式Ｒ。＝ＡＵ／ＡＩ可求出串联电阻值．并联电阻Ｒ。。增加 会降低光伏的变换效率，开路电压稍有下降，但对短 路电流影响不大．最后，由于尺。。数量级为ｋＱ，对光伏
输出特性影响不大，所以在分析时可以不考虑尺。。的 影响．文中串、并联电阻值分别取８ ｍＸｌ、１０ ｋＱ．
∞
∞
如 多，舢
加
４ （ａ）同照度不同温度
≥
≥
４
Ｆｉｇ．２
（ｂ）同温度不同照度 图２ ＰＶ系统仿真特性及最大功率曲线 Ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｃｕｒｖｅ￥ｏｆ ＰＶ ｓｙｓｔｅｍ
１．３ 最大功率分析 通过对图２的分析，可知最大功率近似处于一
，ｐｈ和ｋ．根据／ｍｐｌａ和ｋ刚的ＰＩ调节来控制ＰＷＭ的 占空比，通过ＤＣ／ＤＣ实现最大功率跟踪＿击Ｊ．在求
出该时刻的Ｋ。后，可以将输出电压调整为０．７６ｖｏ。， 即迅速找到近似的最大功率点，如图４（ａ）、４（ｂ）所
示．但从图４（ａ）可以看出，同照度不同温度下，输出 功率与实际的最大输出功率问存在误差，所以要跟
（１６）
１．２最佳电压分析 太阳能电池的比、Ｌ、邑和巧都是可测的，文中
这几项分别取２２Ｖ、３．８Ａ、０．００１和０．００４；Ｒ。和尺。ｈ分 别取８ｍＸｌ和１０ｋｌｌ；ｎ和，。这两项是未知常数，根据 经验先假定这两项的取值分别为４０和５００仙Ａ．通过 上述数据，并综合考虑照度和温度对比和气的影 响，仿真出光伏系统在相同照度不同温度和相同温 度不同照度条件下的特性曲线如图２所示，图中包 括最大功率线和不同温度照度情况下的光伏特性曲
ｌｐｈ＝ｌｐｈ（２５℃．１０∞ｗ／。２）［１＋巧（ｒ—Ｌ）］ｓ／１０００ （１５）
式中：Ｚ为２５℃时的绝对温度值．
由式（７）和（１５）得到、受温度和照度变化影响 的开路电压ｋ．
电池板摄氏温度由传感器测得，ｓｉ由下式求得：
生兰！塑
ｃ一
吁一，ｐｈ（２５℃，１咖Ｗ／ｍ２）［１＋ＫＩ（ｒ—Ｌ）］（１＋Ｒ。／Ｒ。ｈ）
化可表示为
，。＝Ｊ『。（２５℃．１咖Ｗ／。２）Ｓｊ×１０００
（１３）
由式（１０）和式（１３），在温度为２５℃、照度为
１０００Ｗ／ｍ２下，ｏｈ可表示为
／ｐｈ（２５℃，１０００Ｗ／ｍ２）２ １ｔｃ（２５气，１０００Ｗ／ｍ２）（１＋尺。／Ｒ。ｈ） （１４）
而光伏系统的ｋ和气的变化率可以提前测 定，受温度和照度变化影响的光生电流，Ｄｈ可表示为
２恒定电压法分析
恒定电压法控制简单、易于实现，但是该方法在
加
０
５
１０
１５
２０
‰Ⅳ
图３恒定电压法所得功率与最大功率的比较
Ｆｉｇ．３ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｅｏｎｇｔａｎｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｈｅｏｒｙ ｍｅｔｈｏｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ
由图１，，可表示为
川一。Ｈ赤ｃ Ｖ＋Ｒｄ））一－】一荨
（４）
式中：尺。为低阻值，一般数量级为ｍｌｌ；而Ｒ。。为高阻 值，数量级为ｋＱ；故两个内电阻尺。和Ｒ。。一般可忽
略，则式（４）简化为
Ｈ籍）】 ，＝‰一Ｉｏ
（５）
由式（５）可得凡的表达式为
ｎ＝搿ｎ［（‰－Ｉ）／ｉｏ］
（６）
当开路时，，＝０ Ａ，由式（５）得到太阳能方阵开 路电压ｋ与，ｏ为
第３７卷第２期 ２００９年２月
华南理工大学学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｕｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（ＮａｍｒＭ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．３７ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２００９
文章编号：１０００－５６５Ｘ（２００９）０２－０１４０—０７
１６３．ｃｏｒｎ
万方数据
第２期
刘立群等：ＰＶ系统的变电压ＭＰＰＴ算法及仿真
１４ｌ
流，Ａ；，ｏ为反向饱和电流（暗电流），Ａ；ｌｄ为流过二 极管的电流，Ａ；Ｒ。为串联电阻（为低阻值，小于 １ Ｑ）；尺。。为并联电阻（为高阻值，数量级为ｋＱ）；ｑ
为电子电荷，ｑ＝１．６×１０。１９Ｃ；ｋ为玻尔兹曼常数， ｋ＝１．３８×１０。３ Ｊ／Ｋ；Ｔ为太阳能电池板绝对温度， 且设ｔ为其摄氏温度；ｎ为二极管品质因子．
光子
图１光伏方阵等效电路
Ｆｉｇ．１ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｓｏｌａｒ ａｒｒａｙｓ
收稿日期：２００８．０４，１７ ·基金项目：教育部留学回国科研基金资助项目（教外司［２００７］１１０８号）；上海市白玉兰科技人才基金资助项目（２００７８０７３）；中
国博士后基金资助项目（２００５０３８４３５） 作者简介：刘立群（１９７６．），男，讲师，博士生，现任职于太原科技大学，主要从事风电、光伏发电技术研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｌｑｄ２００４＠
万方数据
１４２
华南理工大学学，，为输出功率，Ｋ，为输出电压，，，为输出 电流．图２（ａ）中温度在一５０—７５℃间变化；图２（ｂ）
中照度在１００～１０００Ｗ／ｍ２间变化．分析表明输出
最大功率时的ｋ卯。与比之间存在近似线性关系：
圪ｐｐｔ／ｋ＝Ｋ—Ｏ．７６
（１７）
即当ｙ近似于ｋｐｐｌ时，Ｐ近似于Ｐ一，，近似于，ｍｐｐｔ． 定义Ｋ为近似最佳输出电压系数，Ｋ。为实际最佳输
ｋ叱＝学ｎ隆·）一学ｎ㈥㈩
厶＝／ｐｈｅＸｐ（一ｖｏ－凡－，ｃｑ－』，）
（８）
当短路时，Ｖ＝０Ｖ，此时厶非常小，可以忽略，所 以光伏短路电流，。＝，，由式（４）得：
，，：Ｉ＝ｐｈ一 —ＦＲＦ，Ｉ
（９）
Ｍ＝Ｉｐｈ／（¨惫）Ｉｐｈ（１０，
Ｐ＝ＩＶ＝（Ｉｐｈ—ｌｄ—Ｋ／Ｒ｜ｈ）Ｖ＝（ｋ—Ｉｄ）Ｖ＝
卜Ｌ［ｅｘｐ（－－Ｅ－Ｖ）一ｔ】）Ｖ …，
出电压系数．在达到Ｋ值所确定的近似最大功率点
后，要达到该采样时刻实际最大功率点，就必须使
Ｋ。＝Ｋ成立．
天气变化剧烈的情况下，不能很好地跟踪最大功率， 如图中设定的ｋ仰。＝１３ Ｖ．在相同温度不同照度下， 恒定电压法功率线与实际的最大功率线的比较如图 ３所示，由图可知两者有很大的误差．恒定电压法虽 然满足了某一采样时刻的优化电压，但是在天气变 化的情况下，不能实时达到与天气变化相适应的优化 电压．许多文献对恒定电压法进行了改进，如文献［７］ 中将恒定电压法与爬山法相结合来跟踪最大功率，但 是当照度剧烈变化时，爬山法的效果不明显且能量损 失不可避免¨Ｊ．图中照度在１００～１ ０００Ｗ／ｍ２间变化．
ＰＶ系统的变电压ＭＰＰＴ算法及仿真率
刘立群王志新
（上海交通大学电气工程系，上海２００２４０）
摘要：要提高光伏发电系统的输出效率，必须要有高效的最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）方法．