近年來，隨著微電網(wǎng)的發(fā)展和普及，小容量分布式微電源控制研究受到廣泛關(guān)注[1]，尤以光伏居多。但大多數(shù)文獻(xiàn)研究?jī)?nèi)容主要集中在兩方面：一是對(duì)光伏電池本身進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和輸出特性受環(huán)境因素影響的仿真分析，如文獻(xiàn)[2]和[3]；二是對(duì)某一種MPPT控制方法的仿真研究或多種方法的比較，如文獻(xiàn)[4]和[5]。而對(duì)整個(gè)獨(dú)立光伏系統(tǒng)供電穩(wěn)定性受環(huán)境因素變化和負(fù)載突變的影響研究偏少。

　　本文基于光伏電池典型單二極管等效電路，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB仿真環(huán)境下，利用Simulink工具搭建了光伏電池通用仿真模型，并通過仿真運(yùn)行對(duì)光伏電池輸出特性受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度的影響進(jìn)行了研究分析。然后在基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的MPPT控制方法的基礎(chǔ)上搭建了獨(dú)立光伏系統(tǒng)，并在環(huán)境因素和負(fù)載變化的不同條件下進(jìn)行了仿真研究，檢驗(yàn)了最大功率跟蹤控制策略的效果以及系統(tǒng)獨(dú)立供電的合理性與可行性。

1 光伏電池特性分析

　　光伏電池是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，其通過電池內(nèi)部半導(dǎo)體P-N結(jié)受太陽(yáng)光照產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)，從而直接將光能轉(zhuǎn)化成電能。其典型輸出特性如圖1所示。

　　為更好地分析光伏電池特性，首先需要搭建光伏電池模型，其主要分為物理模型和外特性模型兩大類。物理模型主要通過分析光電轉(zhuǎn)換具體過程實(shí)現(xiàn)，較為復(fù)雜。外特性模型則是根據(jù)其運(yùn)行輸出特性分析，得出等效模型電路，典型形式是單二極管等效電路，如圖2所示。

　　根據(jù)等效電路，可列出光伏電池輸出特性的數(shù)學(xué)模型：

　　式（1）是建立在物理原理上的實(shí)際光伏電池的解析表達(dá)式，比較復(fù)雜。為符合工程上的實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)其做兩點(diǎn)近似處理[2]：(1)由于Rs遠(yuǎn)小于二極管的正向?qū)娮瑁珊雎?，所以Iph可近似為短路電流Isc；(2)由于Rsh非常大(kΩ)，因此(Ucc+ILRs)/Rsh非常小，可以省略。Im、Um為最大功率點(diǎn)電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列電壓為U，其對(duì)應(yīng)點(diǎn)電流為：

　　其中，Sref、Tref為光照強(qiáng)度和光伏電池溫度參考值，一般取為1 000 W/m2和25 ℃，a、b分別是電流溫度系數(shù)和電壓溫度系數(shù)。

　　基于上述數(shù)學(xué)模型，在MATLAB環(huán)境下，利用Simulink工具，搭建了光伏陣列的通用仿真模型。光伏電池輸出特性受多方面因素影響，而受光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度影響最為明顯。本文在二者單一變化的條件下進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示。

　　圖3(a)、(c)表示標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度條件下，不同光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池輸出特性的影響。從中可以看出，在同一溫度下，隨著光照強(qiáng)度增加，I-U、P-U特性曲線均近似整體向上平移，即短路電流和輸出功率都會(huì)明顯增大，而開路電壓略有增大。

　　圖3(b)、(d)表示標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度條件下，不同溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響。從中可以看出，在同一光照強(qiáng)度下，隨著溫度升高，I-U、P-U特性曲線均近似向左偏移，即開路電壓和最大功率點(diǎn)明顯減小，而短路電流只是略有增加。

2 MPPT控制研究

　　對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)，希望光伏電池盡可能地輸出最大功率，而相應(yīng)的提高功率輸出的控制方法被稱為光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power  Point Tracking，MPPT）策略[6]。現(xiàn)在普遍的電導(dǎo)增量法是計(jì)算U，并與0進(jìn)行比較以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。當(dāng)跟蹤過程在一條P-U特性曲線上進(jìn)行時(shí)，效果比較理想，但當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，跟蹤過程必定會(huì)在不同P-U特性曲線上跳變，就會(huì)出現(xiàn)的情況，此時(shí)U=∞，這就需要額外添加判斷過程，比較麻煩。

　　基于此，本文采用改進(jìn)的電導(dǎo)增量法和0進(jìn)行比較即可，其控制流程如圖4所示。

　　根據(jù)上述控制策略在MATLAB中搭建控制模型，如圖5所示。光伏MPPT最大功率控制模型中，控制系統(tǒng)首先對(duì)光伏電池輸出電壓和電流進(jìn)行采樣，經(jīng)過運(yùn)算得出P、U，然后將兩個(gè)值的乘積經(jīng)過增益然后延遲得出差值，經(jīng)過與給定波形值相比較產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，控制開關(guān)管的通斷，通過DC/DC變換電路控制光伏電池的輸出電壓為最大功率點(diǎn)電壓，來實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。

3 系統(tǒng)仿真分析

　　為檢驗(yàn)最大功率跟蹤控制策略的效果以及系統(tǒng)獨(dú)立供電的合理性與可行性，本設(shè)計(jì)建立光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行仿真模型，并從外界環(huán)境變化和負(fù)載變化兩個(gè)方面進(jìn)行了仿真，以驗(yàn)證系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的合理性與可行性。

　　3.1 外界環(huán)境變化

　　在負(fù)載保持不變的條件下，使光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度某一因素發(fā)生變化（另一個(gè)保持不變），仿真結(jié)果如圖6所示。

　　圖6(a)中光照強(qiáng)度變化情況為：t=0時(shí)，S=1 000 W/m2；t=1 s時(shí)，S=900 W/m2；t=2 s時(shí)，S=800 W/m2；t=3 s時(shí)，S=700 W/m2；t=4 s時(shí)，S=600 W/m2。可以看出：當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，隨著光照強(qiáng)度的不斷減小，光伏電池所能輸出的最大功率滿足不了輸出端電壓為48 V時(shí)負(fù)載所需功率，因而輸出端電壓會(huì)往下掉，不能穩(wěn)定在48 V；但負(fù)載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。

　　圖6(b)中環(huán)境溫度變化情況為：t=0時(shí)，T=25 ℃；t=1 s時(shí)，T=40 ℃；t=2 s時(shí)，T=30 ℃；t=3 s時(shí)，T=20 ℃；t=4 s時(shí)，T=5 ℃。從中可以看出：當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，隨著溫度的不斷變化，光伏電池輸出最大功率滿足不了輸出端電壓為48 V時(shí)負(fù)載所需功率，輸出端電壓會(huì)隨之變化，不能穩(wěn)定在48 V；但負(fù)載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。

　　圖6(c)中光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度變化情況分別和(a)、(b)一樣，而這兩種情況的仿真結(jié)果完全相同，從中可以看出：當(dāng)負(fù)載較大時(shí)，不管是光照強(qiáng)度變化，還是環(huán)境溫度變化，只要光伏電池輸出最大功率可以滿足輸出端電壓為48 V時(shí)負(fù)載所需功率，輸出端電壓就會(huì)一直穩(wěn)定在48 V。

　　3.2 負(fù)載變化

　　在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度和標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的測(cè)試條件下，不斷改變阻性負(fù)載大小(初始值R=10 Ω，2 s后并聯(lián)100 Ω電阻，3 s后串聯(lián)50 Ω電阻)，仿真結(jié)果如圖7所示。

　　從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)負(fù)載較小時(shí)，所需功率較大，超過光伏電池所能提供的最大功率，因此負(fù)載端電壓會(huì)往下掉，小于48 V；當(dāng)負(fù)載增大后，所需功率小于光伏電池所能提供的最大功率，負(fù)載端電壓穩(wěn)定在48 V。

4 結(jié)論

　　本文基于光伏電池典型單二極管等效電路，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，搭建了通用仿真模型，并在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度獨(dú)自變化的情況下進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明光伏電池輸出特性受二者影響比較明顯。然后在基于改進(jìn)電導(dǎo)增量法的MPPT控制方法的基礎(chǔ)上搭建了獨(dú)立光伏系統(tǒng)，并在環(huán)境因素和負(fù)載變化的不同條件下進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明不管外界條件怎么變化，只要光伏電池的最大功率可以滿足負(fù)載所需功率，輸出端電壓就可以一直穩(wěn)定在48 V；反之，輸出端電壓就不能穩(wěn)定在48 V，但負(fù)載功率均為不同條件下光伏電池所能輸出的最大功率。這充分證明了最大功率跟蹤控制策略的有效性以及所搭建光伏系統(tǒng)獨(dú)立供電的合理性與可行性。

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