摘 要：分析了光伏电池的工作特性和光伏系统的拓扑结构及原理，将电导增量法应用到光伏发电系统最大功率点跟踪控制中，使系统能够快速响应外界环境的变化，让光伏发电系统始终工作在最大功率点。最后在Matlab/Simulink环境下进行了仿真，并且对仿真结果进行了详细分析，验证了该方法的正确性。
关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；电导增量法；稳定性分析；Boost变换器
在光伏系统中，光伏电池具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度影响较大。为了提高效率，目前广泛采用的技术是最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）。为了达到更好的稳定性和更快的跟踪速度，光伏电池MPPT控制一般选用电压控制方式。其中Boost电路采用的是输入端电压控制方式，即在输出端电压基本恒定的情况下，通过调节占空比来调节输入端电压。
参考文献[1-3]对电导增量法在MPPT中的应用进行了详细地论述，但缺少对最大功率点的跟踪过程及Boost升压电路的分析。本文首先分析了光伏电池的输出特性，然后通过Matlab/Simulink建立了整个光伏系统模型并进行仿真。分析了定步长电导增量法中步长的取值对系统稳定性和快速性的影响，并且阐述了在该方法下功率输出出现振荡的原因，使用变步长的电导增量法，改善了定步长的缺点。最后考虑外部环境的变化，对仿真结果作出了详细的分析，通过其P-V曲线，再现了系统进行最大功率点跟踪的整个过程。
1.2 光伏电池输出特性
由于光伏元件为非线性元件，不能用一个固定的数值或简单的方程式来表示其电压与电流之间的关系。所以，光伏电池的输出特性可用曲线的形式表示[4]，如图2所示。
2 用于MPPT的Boost电路原理
最大功率跟踪控制中常用的DC/DC变换器是Buck和Boost电路。由于Buck电路的输入端工作在断续状态下，若不加入储能电容，则光伏电池工作时断时续，不能处于最佳工作状态。相比之下，Boost电路只要输入电感足够大，可始终工作在输入电流连续状态。考虑到实际使用的光伏电池输出电压不高，则采用Boost升压电路比较合适[5]。
由图3可知，Boost电路是由功率开关S、二极管D、电感L、电容C和负载电阻R构成。Boost电路输入输出电压关系为：
3 MPPT算法
MPPT算法是一个自寻优的过程[6]。通过实时检测光伏电池的输出电压与电流，不断改变系统工作点，比较光伏阵列前后的功率输出情况，从而逐步搜索出当前阵列的最大功率点。
4 仿真结果及分析
设定初始条件为标准光照1 kw/m2和常温25℃。在初始条件下，设定电导增量法步长为0.01，测得其到达相对稳定的状态所需时间为5 ms。把步长设为0.001后，测得其到达相对稳定的状态所需时间为32 ms。两次仿真波形如图5所示。由此可见，定步长电导增量法只能使得系统跟踪到最大功率点附近，在其周围振荡，只是步长不同振荡幅度不同而已。
当光照强度不变时，系统在0.03 s时给外界温度一个扰动，由25℃突变为50℃，输出电压和电流的波形分别如图6（a）、（b）中标号为1的曲线所示。可见，温度的改变对于最佳工作电压影响较大，对最佳工作电流影响较小，符合太阳能电池输出特性。
当温度不变时，系统在0.03 s时给外界光照强度一个扰动，由1 000 W/m2突变为800 W/m2，输出电压和电流的波形分别如图6（a）、（b）中标号为2的曲线所示。可见，光照的改变对最佳工作电流影响较大，电流随光照减弱而减小，对最佳工作电压影响较小，符合光伏电池的输出特性。
通过Matlab/Simulink的仿真分析得出，电导增量法在最大功率点附近都有一定的振荡，而变步长电导增量法能大幅度减小在最大功率点附近的振荡。在外界环境相对稳定的情况下，变步长电导增量法控制具有良好的稳定性，使系统稳定工作在最大功率点；当外界环境突变时，变步长电导增量法能准确快速地跟踪到太阳电池的MPP，具有良好的快速性。
参考文献
[1] 汤济泽，王丛岭，房学法.一种基于电导增量法的MPPT实现策略[J].电力电子技术，2011，45（4）：73-75.
[2] 原敬磊，张建成.一种改进的变步长电导增量光伏电源MPPT控制方法[J].电网与清洁能源，2012，28（1）：75-79.
[3] 董密，杨建，彭可，等.光伏系统的零均值电导增量最大功率点跟踪控制[J].中国电机工程学报，2010，30（21）：48-53.
[4] MUTOH N， OHNO M， INOUE T. A method for MPPT control while searching for parameters corresponding to weather conditions for PV generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2006， 53（4）： 1055-1065.
[5] GLASNER I. Advantage of boost vs buck top-ology for maximum power point tracker in PV system[R]. Nineteenth Convention of Electrical and Electronics Engineers. 1996： 335-358.
[6] HUSSEIN K H. Maximum photovoltaic power tracking： an algorithm for rapidly changing atm- ospheric conditions[J]. IEEE Proceedings of Generation Transmission and Distribution， 1995， 142（1）： 59-64.