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摘要：太阳能是十分具有潜力的新能源，而光伏发电是太阳能最重要的利用方式。但目前因光伏发电效率低、成本高并未普及。本文对如何提升光伏电池效率进行重点研究。根据光伏电池的输出特性，将Buck-Boost型DC/DC变换器实现的无损电阻应用到最大功率点跟踪(MPPT)系统中，经MATLAB仿真验证，在不同光照强度及温度快速变化的条件下，基于无损电阻的最大功率点跟踪方法跟踪速度较快，而且追踪到最大功率后能稳定的工作在最大功率点附近。这样，不仅提高了效率，而且降低了传统方法中的不明干扰及错误判断。
关键词：光伏电池；最大功率点跟踪(MPPT)；Buck-Boost；无损电阻
引言
当今世界的能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体。但化石能源是不可再生资源，大量耗用终将枯竭。为保证人类持久、稳定的能源供应，必须改变现存的以常规不可再生能源为主的能源结构，建立资源无限、可再生、多样化的新能源结构。在各种可再生新能源当中，太阳能以其独特的优势占据着非常重要的位置。然而，光伏发电存在严重的缺点，这就是转换效率低和成本高。光伏发电最基本的单元是光伏电池，目前光电转换效率最高的单晶硅的效率只为20%左右，由于光电转换控制不合理，再加上空气中杂质降落在光伏电池板上，减少了光线的摄入量，严重影响了光电的转换效率。另外，光伏电池的输出特性受外界环境的影响较大，如光照强度的下降会造成光伏电池的短路电流和输出功率下降，温度的改变，也会使光伏电池的开路电压和输出功率下降。最后，光伏电池的价格十分昂贵。因此，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统进行有效的控制，以便提高利用效率。
基于无损电阻的MPPT控制方法
1.1 Buck-Boost二端口无损电阻的分析
二端口无损电阻的定义：输入端呈现电阻性且与输出端连接负载大小无关，并且将从输入端输入的能量全部传输到输出端的二端口网络。如图1-1所示：
图1-1 二端口无损电阻模型
即满足公式：
(1-1)
其中为二端口网络输入端电压，为输入端电流，为输出端电压，输出端电流，R为从输入端看二端口网络的等效阻抗。
1.2 Buck-Boost二端口无损电阻的工作原理
图1-2 Buck-Boost变换器
Buck-Boost变换器如图1-2所示，分析它在电感电流断续的情况下实现的功能。电感电流断续时Buck-Boost变换器有三种开关模态：①Q导通，自零增长到；②Q关断，二极管D续流，自降到零；③Q和D都截止，在此期间为零，负载由输出滤波电容供电。
Q导通期间，电感电流从零开始增加，其增长量为：
(1-2)
Q截止后，自线性下降，并且在时刻 下降到零，即
(1-3)
式中, 电感电流断续时。
由上面两式可以得到：
(1-4)
如果不计变换器的损耗，则有：
(1-5)
变换器输出电流可以表示为
(1-6)
将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-6)得：
(1-7)
从上式可以看出：在电感电流断续时，输出不仅与输入电压和占空比有关，而且还和负载电流的大小有关。
由上面分析可知，在电感电流断续时周期输入平均电流(不考虑变换器损耗)为：
(1-8)
如果记：
(1-9)
则可以记为：
(1-10)
根据以上对Buck-Boost电路的详细分析可知，在忽略原器件损耗和电感电流断续的条件下得出：
(1-11)
Buck-Boost电路满足二端口无损电阻的公式定义，实现了Buck-Boost二端口无损电阻。当输入端电压一定的条件下，输入端的电流仅与导通比有关。在忽略电子元器件消耗的前提下，当导通比不变时，不管输出端负载发生怎样的改变，输入端传递到输出端的功率都保持不变。同时可以通过一定的MPPT控制算法来改变导通比来改变无损电阻的阻值，使得其与电池阵列最大功率点处所要求的阻抗匹配，从而达到系统工作在最大功率点处的要求。
仿真验证
2.1 Buck-boost二端口无损电阻的Simulink仿真
图2-1 Buck-Boost无损电阻仿真模块
模块建立如图2-1，图中直流电压源DC在MPPT仿真模型中由光伏电池输出电压代替，电感L的值为0.001H，续流电容C的值为0.00001F，滤波电容=0.0001F。两个电流检测模块分别检测电感电流和输出电流，电压检测模块检测负载两端电压U，和负载电流I相乘就得到了输出功率。IGBT的触发脉冲信号在MPPT仿真模型中由PWM触发脉冲电路提供。
图2-2 R=20时输出功率波形图2-3R=100时输出功率波形
为了验证Buck-Boost电路可以等效为二端口无损电阻，在负载R为20和100时对电路分别进行了仿真，其中取IGBT触发脉冲占空比为70%周期为0.01s，仿真结果如图2-2和2-3。
由这两幅仿真图形看出：在稳定状态，当负载为20时输出功率平均值大概为(205+185)/2=195W；當负载为100时输出功率平均值大概为(198+194)/2=196W。忽略估计误差因素可知，当负载由20变为100的过程中，占空比不变时，电路输出平均功率不变，表明该电路在等效为无损电阻时等效阻值跟输出端负载无关，负载变化时输出功率不变。
2.2 基于爬山法的光伏发电系统MPPT仿真模型
图2-4 MPPT爬山法仿真模块
基于爬山法的光伏发电系统MPPT仿真模型见图2-4。
仿真参数设定：电容C=0.000001F，=0.00001F，=0.001F；电感L大小为0.001H，滤波电感L为0.002H；采用变步长的ode23tb(stiff/TR-BDF2)进行仿真，最大步长与最小步长自动调节；PWM脉冲信号周期为0.01s，零阶保持器的采样周期为0.01S，负载R=50。爬山法MPPT仿真模块仿真结果如图2-5。
通过爬山法实现的最大功率点跟踪及无损电阻阻值逐步地匹配光伏电池阵列最大功率点，基于无损电阻的最大功率点跟踪方法跟踪速度较快，而且追踪到最大功率后能稳定的工作在最大功率点附近。这样，对光伏阵列工作在最大功率点实现了良好的动态跟踪。
图2-5 爬山法MPPT仿真模块仿真图
结论
本文针对光伏电池的输出特性，提出了以Buck-Boost无损二端口网络为基础的最大功率点跟踪方法，并将其实现的无损电阻应用于最大功率点控制系统中，同时用爬山法控制最大功率点跟踪，取了良好效果，使光伏发电系统在不同光照强度和温度条件下有效地跟踪最大功率点，从而提高光伏发电效率。
参考文献
1 钱伯章．国际可再生能源最新动态[J]．中国建设动态．2007，7(3)：59～66
2 刘建华．无损电阻的研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2007
3 刘辉，吴麟章，江小涛等．光伏电池最大功率跟踪技术研究[J]．武汉科技学院学报．2005，21：22～15
4 徐春方．基于Buck-Boost的双级光伏并网系统研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2009
5 安海云．光伏并网发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2007
6 李炜，朱新坚．光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J]．计算机仿真．2006，2：39～43
7 Doronshmilovitz．Loss-flee Complex Impedance Network Elements[J]．2005，24：1～8
8 A.M.Trzynadlowski．Introduction to Modem Power Electronics[J]．New York：Wiley Interscience．1998，18：34～39
Study on Realization of MPPT in PV Using Fuzzy PID controller
Zhu Junfeng
(the Hydraulic Research Institule of Pastoral Areas,Hydraulic Ministry of China, Hohhot010051)
Abstract: PV power generation has become a new power which has great potential. But PV power generation is not universal, it is because that the efficiency of PV power generation is very low and the cost of it is very high. Researching focus of this paper is that how to improve the efficiency of photo-voltaic cells. The concreting realization of thinking show below. According to the output characteristics of photovoltaic cells, using the DC/DC converter of Buck-Boost toachieve loss-free resistance type applied to the MPPT control system. By MATLAB simulation validated, the maximum power point tracking method of loss-free resistance tracks more quickly. And when tracking tomaximum power point, it can work near the maximum power point steadily. So it not only improves efficiency, but also reduces unknown interference or misjudgment of the traditional method.
Keywords: PV power generation; MPPT; Buck-Boost; Loss-free resistance
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：光伏电池；最大功率点跟踪(MPPT)；Buck-Boost；无损电阻
引言
当今世界的能源结构是以煤炭、石油、天然气等化石能源为主体。但化石能源是不可再生资源，大量耗用终将枯竭。为保证人类持久、稳定的能源供应，必须改变现存的以常规不可再生能源为主的能源结构，建立资源无限、可再生、多样化的新能源结构。在各种可再生新能源当中，太阳能以其独特的优势占据着非常重要的位置。然而，光伏发电存在严重的缺点，这就是转换效率低和成本高。光伏发电最基本的单元是光伏电池，目前光电转换效率最高的单晶硅的效率只为20%左右，由于光电转换控制不合理，再加上空气中杂质降落在光伏电池板上，减少了光线的摄入量，严重影响了光电的转换效率。另外，光伏电池的输出特性受外界环境的影响较大，如光照强度的下降会造成光伏电池的短路电流和输出功率下降，温度的改变，也会使光伏电池的开路电压和输出功率下降。最后，光伏电池的价格十分昂贵。因此，为有效利用太阳能，需要对光伏发电系统进行有效的控制，以便提高利用效率。
基于无损电阻的MPPT控制方法
1.1 Buck-Boost二端口无损电阻的分析
二端口无损电阻的定义：输入端呈现电阻性且与输出端连接负载大小无关，并且将从输入端输入的能量全部传输到输出端的二端口网络。如图1-1所示：
图1-1 二端口无损电阻模型
即满足公式：
(1-1)
其中为二端口网络输入端电压，为输入端电流，为输出端电压，输出端电流，R为从输入端看二端口网络的等效阻抗。
1.2 Buck-Boost二端口无损电阻的工作原理
图1-2 Buck-Boost变换器
Buck-Boost变换器如图1-2所示，分析它在电感电流断续的情况下实现的功能。电感电流断续时Buck-Boost变换器有三种开关模态：①Q导通，自零增长到；②Q关断，二极管D续流，自降到零；③Q和D都截止，在此期间为零，负载由输出滤波电容供电。
Q导通期间，电感电流从零开始增加，其增长量为：
(1-2)
Q截止后，自线性下降，并且在时刻 下降到零，即
(1-3)
式中, 电感电流断续时。
由上面两式可以得到：
(1-4)
如果不计变换器的损耗，则有：
(1-5)
变换器输出电流可以表示为
(1-6)
将式(1-2)和式(1-3)代入式(1-6)得：
(1-7)
从上式可以看出：在电感电流断续时，输出不仅与输入电压和占空比有关，而且还和负载电流的大小有关。
由上面分析可知，在电感电流断续时周期输入平均电流(不考虑变换器损耗)为：
(1-8)
如果记：
(1-9)
则可以记为：
(1-10)
根据以上对Buck-Boost电路的详细分析可知，在忽略原器件损耗和电感电流断续的条件下得出：
(1-11)
Buck-Boost电路满足二端口无损电阻的公式定义，实现了Buck-Boost二端口无损电阻。当输入端电压一定的条件下，输入端的电流仅与导通比有关。在忽略电子元器件消耗的前提下，当导通比不变时，不管输出端负载发生怎样的改变，输入端传递到输出端的功率都保持不变。同时可以通过一定的MPPT控制算法来改变导通比来改变无损电阻的阻值，使得其与电池阵列最大功率点处所要求的阻抗匹配，从而达到系统工作在最大功率点处的要求。
仿真验证
2.1 Buck-boost二端口无损电阻的Simulink仿真
图2-1 Buck-Boost无损电阻仿真模块
模块建立如图2-1，图中直流电压源DC在MPPT仿真模型中由光伏电池输出电压代替，电感L的值为0.001H，续流电容C的值为0.00001F，滤波电容=0.0001F。两个电流检测模块分别检测电感电流和输出电流，电压检测模块检测负载两端电压U，和负载电流I相乘就得到了输出功率。IGBT的触发脉冲信号在MPPT仿真模型中由PWM触发脉冲电路提供。
图2-2 R=20时输出功率波形图2-3R=100时输出功率波形
为了验证Buck-Boost电路可以等效为二端口无损电阻，在负载R为20和100时对电路分别进行了仿真，其中取IGBT触发脉冲占空比为70%周期为0.01s，仿真结果如图2-2和2-3。
由这两幅仿真图形看出：在稳定状态，当负载为20时输出功率平均值大概为(205+185)/2=195W；當负载为100时输出功率平均值大概为(198+194)/2=196W。忽略估计误差因素可知，当负载由20变为100的过程中，占空比不变时，电路输出平均功率不变，表明该电路在等效为无损电阻时等效阻值跟输出端负载无关，负载变化时输出功率不变。
2.2 基于爬山法的光伏发电系统MPPT仿真模型
图2-4 MPPT爬山法仿真模块
基于爬山法的光伏发电系统MPPT仿真模型见图2-4。
仿真参数设定：电容C=0.000001F，=0.00001F，=0.001F；电感L大小为0.001H，滤波电感L为0.002H；采用变步长的ode23tb(stiff/TR-BDF2)进行仿真，最大步长与最小步长自动调节；PWM脉冲信号周期为0.01s，零阶保持器的采样周期为0.01S，负载R=50。爬山法MPPT仿真模块仿真结果如图2-5。
通过爬山法实现的最大功率点跟踪及无损电阻阻值逐步地匹配光伏电池阵列最大功率点，基于无损电阻的最大功率点跟踪方法跟踪速度较快，而且追踪到最大功率后能稳定的工作在最大功率点附近。这样，对光伏阵列工作在最大功率点实现了良好的动态跟踪。
图2-5 爬山法MPPT仿真模块仿真图
结论
本文针对光伏电池的输出特性，提出了以Buck-Boost无损二端口网络为基础的最大功率点跟踪方法，并将其实现的无损电阻应用于最大功率点控制系统中，同时用爬山法控制最大功率点跟踪，取了良好效果，使光伏发电系统在不同光照强度和温度条件下有效地跟踪最大功率点，从而提高光伏发电效率。
参考文献
1 钱伯章．国际可再生能源最新动态[J]．中国建设动态．2007，7(3)：59～66
2 刘建华．无损电阻的研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2007
3 刘辉，吴麟章，江小涛等．光伏电池最大功率跟踪技术研究[J]．武汉科技学院学报．2005，21：22～15
4 徐春方．基于Buck-Boost的双级光伏并网系统研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2009
5 安海云．光伏并网发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究[D]．硕士学位论文．天津大学．2007
6 李炜，朱新坚．光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J]．计算机仿真．2006，2：39～43
7 Doronshmilovitz．Loss-flee Complex Impedance Network Elements[J]．2005，24：1～8
8 A.M.Trzynadlowski．Introduction to Modem Power Electronics[J]．New York：Wiley Interscience．1998，18：34～39
Study on Realization of MPPT in PV Using Fuzzy PID controller
Zhu Junfeng
(the Hydraulic Research Institule of Pastoral Areas,Hydraulic Ministry of China, Hohhot010051)
Abstract: PV power generation has become a new power which has great potential. But PV power generation is not universal, it is because that the efficiency of PV power generation is very low and the cost of it is very high. Researching focus of this paper is that how to improve the efficiency of photo-voltaic cells. The concreting realization of thinking show below. According to the output characteristics of photovoltaic cells, using the DC/DC converter of Buck-Boost toachieve loss-free resistance type applied to the MPPT control system. By MATLAB simulation validated, the maximum power point tracking method of loss-free resistance tracks more quickly. And when tracking tomaximum power point, it can work near the maximum power point steadily. So it not only improves efficiency, but also reduces unknown interference or misjudgment of the traditional method.
Keywords: PV power generation; MPPT; Buck-Boost; Loss-free resistance
注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。