光伏电池及MPPT控制器建模与仿真

中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013E-146光伏电池及MPPT控制器建模与仿真安海清，张韶光，贾秀芳华北电力大学电气与电子工程学院Email:[e-mail]摘要：本文分析了一种光伏电池工程用数学模型，并利用PSCAD/EMTDC软件构建了光伏电池的仿真模型。在对光伏系统常用的恒定电压法、扰动观测法和电导增量法这三种MPPT(MaximumPowerPointTrack)算法进行了简单的比较和分析后，最终选择了电导增量法作为光伏系统的MPPT控制方案，并进行了仿真分析。仿真结果表明，所建立的光伏电池模型能够很好地模拟实际光伏模块特性，系统也可以稳定快速追踪最大功率点(MaximumPowerPoint，MPP)，具有较高的跟踪精度结果。关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；电导增量法；仿真模型ModelingandSimulationofPhotovoltaicBatteryandMPPTControllerAnHaiqing,ZhangShaoguang，JiaXiufang1NorthChinaElectricPowerUniversity，InstituteofElectricalandElectronicEngineeringEmail:[e-mail]:Themathematicalmodelofphotovoltaicbatterywasdiscussedinthispaper,andthesimulationmodeofphotovoltaicbatteryunderPSCAD/EMTDCenvironmentwasestablished.Theconstantvoltagetrace,theperturbationandobservationandtheincrementalconductancemethodofthesethreeMPPT(MaximumPowerPointTrack)algorithmwhicharecommonlyusedinPVsystemsweresimplycomparedandanalyzedinthispaper.TheincrementalconductancewasselectedastheMPPTcontrolmethodofPVsystem.Simulationresultsshowthattheestablishedphotovoltaiccellmodelcansimulatetheactualcharacteristicsofthephotovoltaicmodule.Themaximumpowerpoint(MaximumPowerPoint,MPP)canbequicklytrackedinthesystemsandtheresultsarequiteaccurate.Keywords:photovoltaicbattery;MPPT;incrementalconductance;simulationmodel1引言随着世界经济的发展，人口不断增加，化石能源消耗殆尽，能源危机日益严重。在这样的背景下，太阳能作为一种清洁可再生能源，取之不尽用之不竭，引起了各国政府的重视，太阳能光伏发电产业因而得到了快速的发展。一方面，由于大多数光伏发电系统都是基于经验公式进行设计的，为了对整个设计系统进行验证和优化，有必要研究适用于光伏发电系统工程设计应用的仿真模型。光伏阵列是光伏发电系统的核心部件，而光伏阵列是由若干光伏电池单元串并联组成，所以在光伏发电系统中，对太阳能光伏电池单元仿真模型的研究至关重要[1-4]。另一方面，对于分布式发电系统，必须适时追踪昀大功率点以昀大限度利用能量，也就是我们所熟知的昀大功率点追踪问题（MPPT）。当前，有三种基本的MPPT方法：恒定电压法（CVT，ConstantVoltageTrace）、扰动观测法（P&O,PerturbationandObservation）和电导增量法（INC,IncrementalConductance）。其中，电导增量法在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好[5-6]，因此本文选用电导增量法作为系统控制算法。2光伏电池仿真模型光伏电池模型主要分为物理模型和外特性模型两大类[7]。物理模型主要通过分析光电转换具体过程实现，其模型较为复杂。外特性则是根据其运行输出特性分析，得到等效模型电路。由上所述，利用光生伏特效应原理制成的光伏电池，P-N结是其工作原理核心，每个光伏电池单元的外特性模型主要部分可看成是一个恒电流源与一个正向二极管的并联回路。单个光伏电池的输出特性方程为：[]{}0exp()1()SssshIIIqURInkTURIR=−+−−+(1)资助信息：河北省自然科学基金(E2011502097)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(12MS145)。中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013E-146其中，I为输出电流，U为输出电压，Is为光伏电池内部光生电流，Id为光伏电池内部暗流，这里以二极管饱和电流代替，T为光伏电池温度，q为电子电荷(1.6×10-19C)，k为玻耳兹曼常数(1.38×10J/K)，RS为光伏电池内部的等效串联电阻，一般小于1Ω，Rsh为光伏电池内部的等效旁路电阻，一般为几千欧姆。光伏电池等效电路模型的典型形式是单二极管形式，如图1所示。SIdIshIIsRshRLRU图1.光伏电池单元的等效电路模型工程用模型是利用了光伏电池外特性数学模型，其特点是采用简单且易获取的参数拟合光伏电池的输出特性，适用于对电池外部特性进行仿真研究。在实际应用中，电池厂商提供标准环境下电池的短路电流Isc，开路电压Uoc，昀大功率电压Um和昀大功率电流Im四个参数。这四个参数与电池的输出特性曲线有紧密的对应关系。以此为基础构成的数学表达式，再根据环境修正输出特性即得到工程用光伏电池模型[8]。考虑到太阳能辐射变化和温度影响时：21(1(1))ocUCUscIICe=−−(2)21(1)mocUCUmscCIIe−=−(3)2(1)ln(1)mocmscCUUII=−−(4)refTTTΔ=−(5)1refSSSΔ=−(6)'(1)scscrefIISSaT=××+×Δ(7)'(1)mmrefIISSaT=××+×Δ(8)'(1)ln()ococUUcTebS=×−×Δ+Δ(9)'(1)ln()mmUUcTebS=×−×Δ+Δ(10)其中，Isc为短路电流，Uoc开路电压，Um和Im分别为昀大输出功率点电压和电流；a=0.0025/℃，b=0.5，c=0.0028/℃。式中Sref和Tref为标准环境下太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取为1kW／m2和25℃。考虑光照强度、环境温度等变化对光伏电池的影响，利用公式(2)-(10),在PSCAD软件中建立了光伏电池仿真模型。该模块有3个输入量，分别为：光照强度S、环境温度T、输入电压Upv。2个输出量：输出电流Ipv和输出功率Ppv。图2所示为光伏电池封装后模型。图2.光伏电池封装模型该模型的其中四个输入端，分别输入标准环境(S=1000W/m2，T=298K)的太阳能电池参数：Isc=3.23A，Uoc=21.5V，Im=2.86A，Um=17.5V。图3为该仿真模型的输出特性。可以看出，该模型很好地模拟了光伏电池的输出特性，为后面的研究工作打下了坚实的基础。图3(a)不同光照光伏电池U/I和U/P特性曲线510152025010203040506052550电压/V图3(b)不同温度光伏电池U/I和U/P特性曲线3MPPT控制器仿真模型3.1光伏系统MPPT原理[9]在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关，还受使用环境如辐射强度、温度和负载等因素影响。在不同的外界条件下，光伏电池可以运行在不同且唯一的昀大功率点(MPP)上。中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013E-146因此，对于光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的昀优工作状态，昀大限度地将光能转化为电能。利用控制方法实现光伏电池的昀大功率输出运行的技术被称为昀大功率点跟踪技术(MPPT)。常用的MPPT方法有以下三种：(1)恒定电压法(CVT)由图(3)可知，在辐射强度大于一定值并且温度变化不大时，光伏电池的输出P/U曲线上的昀大功率点几乎分布于一条垂直直线的两侧附近。因此，若能将光伏电池的电压控制在其昀大功率点附近的某一点电压处，光伏电池将获得近似的昀大功率输出，这种MPPT控制方法为恒定电压法。恒定电压法虽然设计思想和结构简单，但是应用具有很大的局限性，通常适用于功率较小，日照情况稳定，外界温度变化小的独立光伏系统。(2)扰动观测法(P&O)扰动观测法的基本思想是：首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后再该电压基础上加一个正向电压扰动量，再次检测光伏电池的输出功率。若所测输出功率增加，说明昀大功率点在当前工作点右边，可以继续增加正向扰动电压；若所测输出功率降低，则说明昀大功率点在当前工作点左边，应该反向增加扰动电压，使工作点左移。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内，即可认为达到了昀大功率点。(3)电导增量法(INC)电导增量法从光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发，推导出系统工作点位于昀大功率点时的电导和电导变化率之间的关系，进而提出相应的MPPT算法。这种方法控制精确，响应速度快，适用于光照强度不断变化的情况，但对硬件，特别是传感器要求比较高。3.2Boost变换电路实现MPPT常采用的基本斩波电路有降压斩波(Buck)型电路和升压斩波(Boost)型电路，但Buck电路有一个昀大的问题：输入电流不连续。对于光伏发电系统来说，如果光伏电池的输出电流不连续，那么将会损失一部分能量。同时，从方便扩容的角度来说，多数光伏电池的输出电压都比较低，而大多数负载都需要工作在更高电压等级上，因此具有电压提升功能和输入电流能连续工作的Boost电路更多的用来作为光伏系统的昀大功率点跟踪器。图4为Boost变换器的原理电路。图4.Boost变换器的原理电路图假设电路中所有的元件均为理想元件，电路从输入到输出的过程无功率损耗，D为开关管的占空比。由Boost电路输入输出的电压关系可知：()outin=1UUD−Boost电路的输出往往接蓄电池或者逆变器的直流侧，在相对较小的系统采样时间内，Boost电路的输出电压变化很小，可视为恒定，故又可得：()inout=1UUD−可以看出改变开关管的占空比D就能找到光伏电池在昀大功率点处的电压Um，从而使光伏发电系统工作在昀大功率点处。3.3MPPT控制方法实现本文选择电导增量法，该方法在光照强度或环境温度发生改变时，能够平稳迅速地跟踪昀大功率点。而且在昀大功率点处的振荡要比扰动观察测法小，降低了系统的功率损失。图5为光伏电池工作特性曲线。d0dpvpvUP=d0dpvpvUPd0dpvpvUP图5电导增量法算法原理图由图可知，昀大功率点处的光伏输出功率Ppv与输出电压Upv满足条件：()ddd0dddpvpvpvpvpvpvpvpvpvPIPIIUUUU==+=(11)由此可得：dd0dpvpvpvpvIIGGUU+=+=(12)中国高等学校电力系统及其自动化专业第29届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013E-146上式中，G为输出特性曲线的点到；dG为电导G的增量。增量dUpv和dIpv可分别用pvUΔ和pvIΔ近似代替。图6为电导增量法控制流程图。其中UΔ和IΔ分别为当前采样和上一次采样所得电压和电流变化量，计算判据中的G和dG为电导和电导增量；Uref1和Uref2分别为当前控制周期和下一控制周期的电压参考值。图6电导增量法MPPT控制流程图根据电导增量法原理在P