張曉航 李 凱 張 卡
（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）
【摘 要】介紹了光伏電池模型的工程數學模型，並在MATLAB/ SIMULINK 環境下建立了光伏電池的工程仿真模型。為了能夠實現光伏電池的最大功率輸出，本文介紹了最大功率跟蹤的原理和方法。使用增量電導法實現最大功率點跟蹤。並在MATLAB/SIMULINK 環境下搭建光伏發電系統的仿真模型進行了仿真。仿真結果表明，搭建的光伏電池波形以及最大功率跟蹤控制的仿真結果證明了可行性，可以用於光伏發電系統的仿真研究。
關鍵詞 光伏電池；最大功率跟蹤；增量電導法；仿真
作者簡介：張曉航（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統中的應用。
李凱（1988），男，碩士研究生，研究方向為電能質量控制。
張卡（1989—），男，工程師。
0 引言
太陽能直接輻射到地球的能量豐富，分布廣泛，可以再生，對環境無污染，而且利於方便，是國際社會公認的理想新能源。因此，最近幾年太陽能光伏發電獲得廣泛的應用。然而，光伏電池受環境的影響比較大，比如光照強度溫度等等，直接併網容易對電網造成不良影響[1]。另外，光伏電池目前所普遍採用的是晶矽材料，而晶矽材料的成本較高而且轉換效率也比較低。為了減少能量功率損失，提高光照的利用效率，通常採用最大功率跟蹤控制使光伏輸出儘可能的達到最大功率。本文仿真所採用的是工程上所用的簡化數學模型。
1 光伏電池模型
光伏電池是利用半導體材料的光生伏打效應製成的，它的輸出電流及電壓受溫度、光照強度的影響，其中外界溫度變化主要影響光伏電池的輸出電壓，而光伏電池的輸出電流主要是由光照強度影響[2]。
本文所採用的是工程用光伏電池簡化模型為：
式中，e為自然底數;b=0.5為常數；c=0.0028℃-1為標準條件下的電壓穩定係數；a=0.0025℃-1為標準條件下電流溫度係數；Isc、Uoc、Im、Um分別為光伏電池板短路電流、開路電壓、最大功率點電流、最大功率點電壓。本文所搭建光伏電池板simulink模型就是基於上述工程數學模型。
2 光伏發電最大功率跟蹤（MPPT）及原理
本文最大功率跟蹤採用的是基於Boost電路的電導增量法，電導增量法是通過改變Boost升壓電路的占空比來調整光伏電池輸出的電壓，使之逐漸接近最大功率點的電壓來實現最大功率點的跟蹤。由光伏電池的功率-電壓特性曲線可以知在最大功率點出有dP/dV=0的關係，此時光伏電池的工作點位於此刻最大功率點處，需要保持參考電壓大小不變，使光伏電池始終工作在最大功率點處。
3 實例分析與仿真
本文所採用的光伏電池板為1000W，每塊電池板的參數為：短路電流Isc=12.92A，開路電壓Uoc=107.5V，最大功率點電流Im=11.42A，最大功率點電壓Um=87.5V。
3.1 光伏電池板仿真
由光伏電池的工程簡化模型可知，在光照與溫度一定時，其輸出電流為輸出電壓的函數。取標準光照強度S=1000W/m2，Tref=25℃，光伏組件的電壓-電流、電壓-功率輸出特性如圖1和圖2所示：
由圖1和圖2可知，在標準狀況下（光照為1000W/m2，T=25℃），光伏組件仿真開路電壓Uoc=107.5V，短路電流Isc=12.92A，最大功率點電流Im=11.42A，最大功率點電壓Um=87.5V，最大功率為1000W考慮到光伏組件實物的轉化效率，其誤差屬於可接受范（下轉第144頁）（上接第117頁）圍，表明仿真曲線得出的數值與廠家給定的幾個參數值基本相等，所以，所搭建的仿真模塊能較好地模擬光伏電池板輸出特性。
3.2 MPPT仿真分析
在標準狀況1000W/m2，T=25℃的條件下，接入負載R=100Ω電阻，Boost電路輸入端電容取C1=500e-5F，電感取L=3.675e-3H。輸出端電容C2=2.825e-5F。
在0.5s之前，光照強度設置為600W/m2，0.5s時光照強度突然增大到1000W/m2，由仿真結果圖3可以看出功率能夠迅速的跟隨光照強度的增加迅速達到最大功率。
4 結語
本文以光伏電池工程數學模型為基礎，通過建立simulink仿真模型，將其仿真實驗結果與實際情況相比較，驗證了此仿真模型的正確性。最後建立基於升壓電路的最大功率跟蹤仿真模型，最大功率跟蹤採用增量電導法，最後的仿真結果表明所搭建的模型能較好地完成對最大功率點跟蹤的工作，為深入研究其特性及應用打下了良好的基礎。
參考文獻
［１］何道清,何濤,丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M]．化學工業出版社,2012．
［２］胡長武,李國寶,王蘭夢,等.基於Boost電路的光伏發電MPPT控制系統仿真研究[J].光電技術應用,2014,29(1):84-88.
［３］王廈楠.獨立光伏發電系統及其MPPT的研究[D].南京:南京航空航天大學,2008.
［４］楊文傑.光伏發電併網與微網運行控制仿真研究[D].成都:西南交通大學,2008.
［５］李潔,劉蘊達.光伏電池和MPPT控制器的仿真模型[J].電源技術,2012,36(12):1836-1839.
［６］張翔,王時勝,余運俊.基於電導增量法MPPT仿真研究[J].科技廣場,2013,2:60-64.
［責任編輯：湯靜］
（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）
【摘 要】介紹了光伏電池模型的工程數學模型，並在MATLAB/ SIMULINK 環境下建立了光伏電池的工程仿真模型。為了能夠實現光伏電池的最大功率輸出，本文介紹了最大功率跟蹤的原理和方法。使用增量電導法實現最大功率點跟蹤。並在MATLAB/SIMULINK 環境下搭建光伏發電系統的仿真模型進行了仿真。仿真結果表明，搭建的光伏電池波形以及最大功率跟蹤控制的仿真結果證明了可行性，可以用於光伏發電系統的仿真研究。
關鍵詞 光伏電池；最大功率跟蹤；增量電導法；仿真
作者簡介：張曉航（1990—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子在電力系統中的應用。
李凱（1988），男，碩士研究生，研究方向為電能質量控制。
張卡（1989—），男，工程師。
0 引言
太陽能直接輻射到地球的能量豐富，分布廣泛，可以再生，對環境無污染，而且利於方便，是國際社會公認的理想新能源。因此，最近幾年太陽能光伏發電獲得廣泛的應用。然而，光伏電池受環境的影響比較大，比如光照強度溫度等等，直接併網容易對電網造成不良影響[1]。另外，光伏電池目前所普遍採用的是晶矽材料，而晶矽材料的成本較高而且轉換效率也比較低。為了減少能量功率損失，提高光照的利用效率，通常採用最大功率跟蹤控制使光伏輸出儘可能的達到最大功率。本文仿真所採用的是工程上所用的簡化數學模型。
1 光伏電池模型
光伏電池是利用半導體材料的光生伏打效應製成的，它的輸出電流及電壓受溫度、光照強度的影響，其中外界溫度變化主要影響光伏電池的輸出電壓，而光伏電池的輸出電流主要是由光照強度影響[2]。
本文所採用的是工程用光伏電池簡化模型為：
式中，e為自然底數;b=0.5為常數；c=0.0028℃-1為標準條件下的電壓穩定係數；a=0.0025℃-1為標準條件下電流溫度係數；Isc、Uoc、Im、Um分別為光伏電池板短路電流、開路電壓、最大功率點電流、最大功率點電壓。本文所搭建光伏電池板simulink模型就是基於上述工程數學模型。
2 光伏發電最大功率跟蹤（MPPT）及原理
本文最大功率跟蹤採用的是基於Boost電路的電導增量法，電導增量法是通過改變Boost升壓電路的占空比來調整光伏電池輸出的電壓，使之逐漸接近最大功率點的電壓來實現最大功率點的跟蹤。由光伏電池的功率-電壓特性曲線可以知在最大功率點出有dP/dV=0的關係，此時光伏電池的工作點位於此刻最大功率點處，需要保持參考電壓大小不變，使光伏電池始終工作在最大功率點處。
3 實例分析與仿真
本文所採用的光伏電池板為1000W，每塊電池板的參數為：短路電流Isc=12.92A，開路電壓Uoc=107.5V，最大功率點電流Im=11.42A，最大功率點電壓Um=87.5V。
3.1 光伏電池板仿真
由光伏電池的工程簡化模型可知，在光照與溫度一定時，其輸出電流為輸出電壓的函數。取標準光照強度S=1000W/m2，Tref=25℃，光伏組件的電壓-電流、電壓-功率輸出特性如圖1和圖2所示：
由圖1和圖2可知，在標準狀況下（光照為1000W/m2，T=25℃），光伏組件仿真開路電壓Uoc=107.5V，短路電流Isc=12.92A，最大功率點電流Im=11.42A，最大功率點電壓Um=87.5V，最大功率為1000W考慮到光伏組件實物的轉化效率，其誤差屬於可接受范（下轉第144頁）（上接第117頁）圍，表明仿真曲線得出的數值與廠家給定的幾個參數值基本相等，所以，所搭建的仿真模塊能較好地模擬光伏電池板輸出特性。
3.2 MPPT仿真分析
在標準狀況1000W/m2，T=25℃的條件下，接入負載R=100Ω電阻，Boost電路輸入端電容取C1=500e-5F，電感取L=3.675e-3H。輸出端電容C2=2.825e-5F。
在0.5s之前，光照強度設置為600W/m2，0.5s時光照強度突然增大到1000W/m2，由仿真結果圖3可以看出功率能夠迅速的跟隨光照強度的增加迅速達到最大功率。
4 結語
本文以光伏電池工程數學模型為基礎，通過建立simulink仿真模型，將其仿真實驗結果與實際情況相比較，驗證了此仿真模型的正確性。最後建立基於升壓電路的最大功率跟蹤仿真模型，最大功率跟蹤採用增量電導法，最後的仿真結果表明所搭建的模型能較好地完成對最大功率點跟蹤的工作，為深入研究其特性及應用打下了良好的基礎。
參考文獻
［１］何道清,何濤,丁宏林.太陽能光伏發電系統原理與應用技術[M]．化學工業出版社,2012．
［２］胡長武,李國寶,王蘭夢,等.基於Boost電路的光伏發電MPPT控制系統仿真研究[J].光電技術應用,2014,29(1):84-88.
［３］王廈楠.獨立光伏發電系統及其MPPT的研究[D].南京:南京航空航天大學,2008.
［４］楊文傑.光伏發電併網與微網運行控制仿真研究[D].成都:西南交通大學,2008.
［５］李潔,劉蘊達.光伏電池和MPPT控制器的仿真模型[J].電源技術,2012,36(12):1836-1839.
［６］張翔,王時勝,余運俊.基於電導增量法MPPT仿真研究[J].科技廣場,2013,2:60-64.
［責任編輯：湯靜］
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