太阳能光伏发电最大功率点跟踪

动力与电气工程　ＳＣ　ＪＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬ０ＧＹ　圆圆　基于模糊控制的光伏发电最大功率点跟踪①　李慧慧　孙志毅　（太原科技大学　山西太原０３００２４）　摘要：光伏电池的输出特性随负载及外界环境的变化而变化，采用最大功率点跟踪电路可充分发挥光伏器件的效匏。根据常用光伏发　电系统控制的优缺点及最大功率点跟踪的基本原理，本文提出了基于模糊控制具有在线参数调整的自适应占空比扰动法。当外界环境变　化时，仿真结果显示系统能够很好的跟踪此变化，使系统始终工作在最大功率点附近，具有很好的稳定性。　关键词：光伏电池　模糊控制　最大功率点跟踪　Ｍａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ　中图分类号：ＴＭ７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—３７９１（２０１０）０３（ａ）一０１２１—０２　光伏电池的输出特性受外界环境的　影响大。电池表面温度和日照强度的变化　都会导致输出特性发生较大的变化。运用　最大功率点跟踪控制光伏电池，极大的　提高了光伏电池的转换效率很低。最大功　率跟踪（Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｏｉｎｔ　Ｔｒａｃｋｉｎｇ，ＭＰＰＴ）通常是以功率作为变量　进行反馈控制。它起到光伏电池内阻与外　部负载阻抗匹配的作用。最大功率跟踪控　制算法常采用扰动观察法，恒定电压法，　最优梯度法和增量电导法等。本文提出了　运用模糊控制方法来实现光伏系统的最　大功率点跟踪，极好的解决了其他控制　方法扰动量无法确定及控制过程过于复　杂等问题。由仿真结果可看出此控制方法　的性能良好。　．ｆ　－＿－＿－＿＿。■　ｆ　ｌ　足　Ｉ　图１　光伏电池接负载时的等效电路图　８０　８０　鼍４０　２０　Ｏ　／　一一——・　．’　、　＝＝＝　＼　＼　ｖ／Ｖ　图２电压功率工作特性　表１模糊控制规则表　Ｅ　ＮＢ　ＮＭ　ＮＳ　ＮＯ　ＰＯ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＢ　ＮＭ　ＮＭ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＺ　ＮＺ　ＮＭ　ＰＢ　ＰＭ　ＰＳ　ＰＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＰＢ　ＰＢ　ＰＭ　ｌ　ＮＳ　ＮＳ　ＰＢ　ＮＳ　ＰＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＰＳ　ＰＭ　ＰＢ‘ＰＢ　ＰＭ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＭ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢ　ＰＢ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＳ　ＮＭ　ＰＭ　ＰＭ　ＰＢ　ＰＢ　１光伏电池特性　１．１光伏阵列的数学模型　以下为一般多晶硅光伏电池的输出电　压和电流数学模型：　，＝　Ｇ—ｌｏｓ｛ｅｘｐ［—　—；（　＋上　）］一１｝（１）　３　１　１　其中：Ｉｏｓ　ＺｏＲ［￣－，］。ｘｐ［　‘毒一手）］　ｊ　［　（　一２９８）］　其中　为光伏电池暗饱和电流；ｔ。为　光电流；ｑ为单位电荷（１１６×１０—１９）；Ａ，Ｂ为理　想因子；ｋ为波尔兹曼常数（１．３８×１０－２３）；Ｖ为　光伏电池输出电压；　。为光伏电池的串联等　效电阻；　为参考温度；Ｔ为光伏电池的实际　工作温度；　为　下的暗饱和电流，　为　标准测试条件下光伏电池的短路电流，毛为　短路电流的温度系数；　为日照强度。　光伏电池并联提高系统的最高输出电　流，串联可提高发电系统的最高输出直流　电压。分析公式（１）可知，环境温度和日照强　度为影响太阳能电池输出特性的主要因　素。其中环境温度主要影响太阳能电池的　开路电压，日照强度主要影响太阳能电池　的短路电流（图１）。　１．２典型的光伏电池特性曲线　图２是在不同光强下的太阳能电池的　Ｐ—ｕ特性曲线。它表明太阳能电池即非恒　压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电　源。而在不同的Ｅｌ照强度和环境温度下，太　阳能电池板的最大功率点是不同的。如果　太阳能电池采用ＭＰＰＴ控制，能跟踪不同光　强下的最大功率，就可以最大限度地提高　光伏电池的能量利用率。　１．３模糊控制的ＭＰＰＴ原理及实现　模糊控制器不需要知道太阳光伏阵列　精确的数学模型，也不需要知道环境温度　和Ｅｌ照强度，而是在运行的过程中不断改　变可控参数的整定值，使得当前工作点逐　渐向峰值功率点靠近，最后工作在最大功　率点附近。因此，运用模糊自寻优方法可以　实现最大功率点的跟踪。　参考占空比扰动观察法的原理，取目　标函数为光伏电池的输出功率，可控量为　用来控制Ｂｏｏｓｔ变换器的ＰＷＭ信号的占空　比Ｄ。根据功率值的变化量和前一刻的占空　比调整步长，来决定这一刻的调整步长大　小。模糊控制器的第ｎ时刻的输入量为光伏　系统第ｎ时刻功率的变化量和第ｎ一１时刻的　占空比的步长。第ｎ时刻的输出量为第ｎ时　刻的占空比步长。遵循以下原则。　（１）若输出功率增加，则继续原来的步　

什么是MPPT

MPPT是Maximum Power Point Tracking（最大功率点跟踪）的

简称，MPPT控制器能够实时侦测太阳能板的发电电压，并追踪最高

电压电流值(VI)，使系统以最高的效率对蓄电池充电。应用于太阳能

光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统

中非常重要的组件。

MPPT的概述

最大功点跟踪(Maximum Power Point Tracking，简称MPPT)系

统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能

的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池

中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和

工业用电，不产生环境污染。

光伏电池的输出功率与MPPT控制器的工作电压有关，只有工作

在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。

日照强度为1000W/下，U=24V,I=1A；U=30V,I=0.9A；

U=36V,I=0.7A；可见30的电压下输出功率最大。

MPPT的原理

给蓄电池充电，太阳板的输出电压必须高于电池的当前电压，如

果太阳能板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，

为了安全起见，太阳能板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）

大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。当天气非常热的时候，太阳能板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒

冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V。

现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制

器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当

发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必

会影响车速。但是对于传统控制器来说，充电参数都是在出厂之前就

设定好的，就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功

率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，

就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。 理论上讲，使用MPPT

第 1 页 共 6 页 太阳能光伏发电的最大功率跟踪控制方法及装置

1本项目主要的研究内容

（1） 光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究：传统的MPPT控制算法各自都存在一些不足之处,为了改善最大功率点的跟踪效果，将各种传统MPPT方法综合起来使用，相互取长补短。把固定参数法、扰动观察法和电导增量法相结合得到的复合MPPT算法。对复合MPPT控制算法结合相关文献资料进行研究，利用MATLAB进行仿真，建立多种模型，比较仿真结果，关注模型的简单性和跟踪时间和效果，并把模型移植到硬件平台进行调试。

（2） 搭建基于单片机的光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置，实现光伏发电系统最大功率点跟踪和控制以及直流变换等功能，提高光伏阵列的输出功率。光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置示意图1所示。

图1 光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置示意图

（3） 光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置通过电压电流检测电路采集到的模拟信号经A/D端口送入微控制器进行最大功率点跟踪算法分析计算后，微控制器通过驱动模块输出PWM（脉宽调制）脉冲控制信号调节DC/DC变换器中内部开关管的通断，实现对转换电路输出电压及电流的控制。

（4） 光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置中设计保护模块，可以对电路进行过压和过流保护，提高装置的安全可靠性。

1.2拟解决的关键问题：

（1） 复合MPPT算法的简化和跟踪时效；

（2） 复合MPPT算法在硬件产品的应用实现；

（3） 光伏发电系统最大功率点跟踪控制装置的在复杂情况下的可靠性；

负载 光伏

阵列

电压和电流检测模块 驱动模块 DC/DC

变换器 蓄电池

或

并网

逆变器

保护模块

最大功率点跟踪

控制模块 第 2 页 共 6 页 2.方案的设计与可行性分析

最大功率点跟踪控制原理：对于一个线性电路，当负载电阻和电源内阻相等时，电源输出功率最大。虽然太阳能电池和DC/DC转换电路都是非线性的，但是在其工作点附近很小的范围内，可以将它们看作是线性电路。因此，只要调节DC/DC转换电路的等效电阻，使之与太阳能电池的串联电阻始终等于负载电阻，就可以实现太阳能电池阵列的最大功率输出，也就实现了太阳能电池的最大功率跟踪。若将太阳能电池通过变换器与负载连接，太阳能电池的工作点则由负载限定。当负载不可以调节时，由下图可知，太阳能电池在A点的输出功率小于在最大功率点的输出功率。通过调节输出电压，将负载电压调节到Ur处，使负载上的功率从A点移到B点。而B点与太阳能电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此太阳能电池此时有最大功率输出。

并网型太阳能光伏发电系统课程教案

第 1 页 共 3 页 授课日期/班级

课题： 8.2 最大功率跟踪

教学目的 1掌握最大功率跟踪方法

2了解最大功率跟踪原理

3了解最大功率跟踪的实现

教学重点 最大功率跟踪方法

教学难点 最大功率跟踪方法

教学准备 教案、教参

教学方法 讲授法

教

学

过

程

Ⅰ、课堂组织： 2 分

点名，确认人数。填写教学日志（一）、（二）。

Ⅱ、复习旧课，导入新课： 3 分钟

1 BIPV电学方面需要注意的问题

2并网光伏系统分类

3 并网光伏发电系统的入网申报流程

Ⅲ、讲授新课： 75 分钟

一、常用的最大功率跟踪方法

我们知道，当日照强度和环境温度变化时，光伏电池输出电压和电流呈非线性关系变化，其输出功率也随之改变。而且，当光伏电池应用与不同的负载时，由于光伏电池输出阻抗与负载阻抗不匹配，也使得光伏系统输出功率降低。

目前解决这一问题的有效办法是在光伏电池输出端与负载之间加入开关变换电路，利用开关变换电路对阻抗的变换原理，使得负载的等效阻抗跟随光伏电池的输出阻抗，从而使得光伏电池输出功率最大。

常用的最大功率跟踪方法有：（1）功率匹配方法 有一定的局限性；

（2）曲线拟合技术 容易失效； 并网型太阳能光伏发电系统课程教案

第 2 页 共 3 页 （3）扰动和管擦法 扰动的介入，系统工作点无法稳定在最大功率点上；

（4）导纳增量法 解决了以上问题，计算准确、防止对工作点的误判，在微处理器上实现为简单。

从最大功率判据来看，其跟踪方法可以有以下几种：

（1）输出电压不变法

（2）功率计算法

（3）电流寻优法

（4）纹波扰动法