（电导增量法+扰动观察法）光伏发电系统最大功率跟踪控制附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

摘要: 光伏 (PV) 发电作为一种清洁、可再生的能源，在全球能源结构转型中扮演着日益重要的角色。然而，光伏电池的输出特性受到光照强度、环境温度等因素的影响，呈现出非线性特征，使得光伏系统的最大功率点 (MPP) 并非固定不变。为了保证光伏发电系统始终运行在最佳工作状态，提高其发电效率，最大功率点跟踪 (MPPT) 技术至关重要。本文主要探讨基于电导增量法 (Incremental Conductance, INC) 与扰动观察法 (Perturb and Observe, P&O) 的MPPT控制策略，分析两种算法的原理、优缺点，并探讨其在光伏发电系统中的应用及改进方向。

引言:

随着能源需求的日益增长和环境问题的日益严峻，可再生能源的开发和利用成为了全球共识。太阳能光伏发电以其资源丰富、清洁环保等优点，受到了广泛的关注和应用。光伏发电系统通常由光伏阵列、逆变器、储能系统（可选）以及控制系统组成。其中，光伏阵列的输出功率直接影响整个系统的发电效率。光伏电池的输出特性具有非线性特征，其输出功率随着电压和电流的变化而变化。当光照强度或环境温度发生变化时，光伏阵列的MPP也会随之改变。为了充分利用太阳能资源，提高光伏系统的发电效率，需要采用有效的MPPT控制技术，使系统始终运行在MPP附近。

光伏电池的特性及最大功率点跟踪的必要性:

光伏电池的输出特性可以用I-V曲线和P-V曲线来描述。I-V曲线描述了光伏电池输出电流随电压的变化关系，P-V曲线描述了光伏电池输出功率随电压的变化关系。从这两条曲线可以看出，光伏电池的输出特性呈现出明显的非线性特征。在特定的光照强度和环境温度下，P-V曲线上存在一个唯一的最大功率点，该点对应的电压和电流分别为最大功率电压(Vmpp)和最大功率电流(Impp)。然而，光照强度和环境温度是不断变化的，这会导致光伏阵列的MPP发生漂移。

如果光伏发电系统没有采用MPPT控制技术，那么它很可能运行在非最佳工作状态，导致发电效率降低。例如，当光照强度降低时，光伏阵列的输出功率会显著下降。如果系统没有及时调整工作电压，使其接近新的MPP，那么将会造成大量的能量损失。因此，MPPT控制技术对于提高光伏系统的发电效率至关重要。MPPT控制技术的目的是通过调整光伏系统的输入阻抗，使其与光伏阵列的输出阻抗相匹配，从而实现最大功率输出。

基于电导增量法的最大功率点跟踪控制:

电导增量法是一种基于瞬时电导和增量电导关系的MPPT控制算法。其基本原理是利用光伏阵列的输出电压和电流的变化来判断当前工作点与MPP之间的关系。

算法原理:

根据P-V曲线的特点，在MPP的左侧，dP/dV > 0；在MPP的右侧，dP/dV < 0；在MPP处，dP/dV = 0。可以推导出以下关系：

• 在MPP处： dP/dV = d(VI)/dV = I + V(dI/dV) = 0 => dI/dV = -I/V

• 在MPP左侧： dP/dV > 0 => dI/dV > -I/V

• 在MPP右侧： dP/dV < 0 => dI/dV < -I/V

INC算法通过比较dI/dV和-I/V的大小关系，来判断当前工作点相对于MPP的位置，并根据判断结果调整光伏系统的工作电压。具体步骤如下：

1. 测量光伏阵列的输出电压 (V) 和电流 (I)。
2. 计算瞬时电导 (I/V) 和增量电导 (dI/dV)。

    dI和dV分别为相邻两次采样得到的电流和电压的差值。

3. 比较dI/dV和-I/V的大小关系。

   • 如果dI/dV > -I/V，则表明当前工作点在MPP的左侧，需要增大光伏阵列的工作电压。

   • 如果dI/dV < -I/V，则表明当前工作点在MPP的右侧，需要减小光伏阵列的工作电压。

   • 如果dI/dV = -I/V，则表明当前工作点位于MPP，保持当前工作电压。

4. 根据比较结果，调整控制信号（例如PWM占空比）来改变DC-DC转换器的输入阻抗，从而调整光伏阵列的工作电压。
5. 重复步骤1-4，直到光伏系统始终运行在MPP附近。

算法优点:

• 静态精度高:

   INC算法能够准确地跟踪MPP，即使在光照强度和环境温度变化缓慢的情况下，也能保证光伏系统始终运行在最佳工作状态。

• 可以区分光照强度变化和MPP变化:

   当光照强度发生突变时，INC算法能够通过分析电压和电流的变化方向，判断是否是光照强度变化引起的功率变化，从而避免误判，提高跟踪精度。

算法缺点:

• 动态响应速度慢:

   在光照强度和环境温度变化剧烈的情况下，INC算法的响应速度相对较慢，可能会出现跟踪滞后现象。

• 计算量相对较大:

   需要计算瞬时电导和增量电导，计算量略大于扰动观察法。

基于扰动观察法的最大功率点跟踪控制:

扰动观察法是一种简单易行的MPPT控制算法，其基本原理是通过周期性地扰动光伏系统的电压或电流，并观察其输出功率的变化，从而判断扰动方向是否正确。

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