近年来，随着微电网的发展和普及，小容量分布式微电源控制研究受到广泛关注，尤以光伏居多。但大多数文献研究内容主要集中在两方面：一是对光伏电池本身进行数学建模和输出特性受环境因素影响的仿真分析；二是对某一种MPPT控制方法的仿真研究或多种方法的比较。而对整个独立光伏系统供电稳定性受环境因素变化和负载突变的影响研究偏少。

本文基于光伏电池典型单二极管等效电路，建立了相应的数学模型，在MATLAB仿真环境下，利用Simulink工具搭建了光伏电池通用仿真模型，并通过仿真运行对光伏电池输出特性受光照强度和环境温度的影响进行了研究分析。然后在基于改进电导增量法的MPPT控制方法的基础上搭建了独立光伏系统，并在环境因素和负载变化的不同条件下进行了仿真研究，检验了最大功率跟踪控制策略的效果以及系统独立供电的合理性与可行性。

1 光伏电池特性分析

光伏电池是太阳能发电系统的核心部件，其通过电池内部半导体P-N结受太阳光照产生光生伏打效应，从而直接将光能转化成电能。其典型输出特性如图1所示。

为更好地分析光伏电池特性，首先需要搭建光伏电池模型，其主要分为物理模型和外特性模型两大类。物理模型主要通过分析光电转换具体过程实现，较为复杂。外特性模型则是根据其运行输出特性分析，得出等效模型电路，典型形式是单二极管等效电路，如图2所示。

根据等效电路，可列出光伏电池输出特性的数学模型：

式（1）是建立在物理原理上的实际光伏电池的解析表达式，比较复杂。为符合工程上的实际应用，需要对其做两点近似处理：(1)由于Rs远小于二极管的正向导通电阻，可忽略，所以Iph可近似为短路电流Isc；(2)由于Rsh非常大(kΩ)，因此(Ucc+ILRs)/Rsh非常小，可以省略。Im、Um为最大功率点电流和电压，则当光伏阵列电压为U，其对应点电流为：

其中，Sref、Tref为光照强度和光伏电池温度参考值，一般取为1 000 W/m2和25 ℃，a、b分别是电流温度系数和电压温度系数。

基于上述数学模型，在MATLAB环境下，利用Simulink工具，搭建了光伏阵列的通用仿真模型。光伏电池输出特性受多方面因素影响，而受光照强度和环境温度影响最为明显。本文在二者单一变化的条件下进行了仿真，结果如图3所示。

图3(a)、(c)表示标准环境温度条件下，不同光照强度对光伏电池输出特性的影响。从中可以看出，在同一温度下，随着光照强度增加，I-U、P-U特性曲线均近似整体向上平移，即短路电流和输出功率都会明显增大，而开路电压略有增大。

图3(b)、(d)表示标准光照强度条件下，不同温度对光伏电池输出特性的影响。从中可以看出，在同一光照强度下，随着温度升高，I-U、P-U特性曲线均近似向左偏移，即开路电压和最大功率点明显减小，而短路电流只是略有增加。

2 MPPT控制研究

对于光伏发电系统，希望光伏电池尽可能地输出最大功率，而相应的提高功率输出的控制方法被称为光伏电池的最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）策略。现在普遍的电导增量法是计算U，并与0进行比较以实现最大功率跟踪。当跟踪过程在一条P-U特性曲线上进行时，效果比较理想，但当外界环境变化时，跟踪过程必定会在不同P-U特性曲线上跳变，就会出现的情况，此时U=∞，这就需要额外添加判断过程，比较麻烦。

基于此，本文采用改进的电导增量法和0进行比较即可，其控制流程如图4所示。

根据上述控制策略在MATLAB中搭建控制模型，如图5所示。光伏MPPT最大功率控制模型中，控制系统首先对光伏电池输出电压和电流进行采样，经过运算得出P、U，然后将两个值的乘积经过增益然后延迟得出差值，经过与给定波形值相比较产生PWM控制信号，控制开关管的通断，通过DC/DC变换电路控制光伏电池的输出电压为最大功率点电压，来实现最大功率点跟踪。

3 系统仿真分析

为检验最大功率跟踪控制策略的效果以及系统独立供电的合理性与可行性，本设计建立光伏发电系统独立运行仿真模型，并从外界环境变化和负载变化两个方面进行了仿真，以验证系统独立运行的合理性与可行性。

3.1 外界环境变化

在负载保持不变的条件下，使光照强度和环境温度某一因素发生变化（另一个保持不变），仿真结果如图6所示。

图6(a)中光照强度变化情况为：t=0时，S=1 000 W/m2；t=1 s时，S=900 W/m2；t=2 s时，S=800 W/m2；t=3 s时，S=700 W/m2；t=4 s时，S=600 W/m2。可以看出：当负载较小时，随着光照强度的不断减小，光伏电池所能输出的最大功率满足不了输出端电压为48 V时负载所需功率，因而输出端电压会往下掉，不能稳定在48 V；但负载功率均为不同条件下光伏电池所能输出的最大功率。

图6(b)中环境温度变化情况为：t=0时，T=25 ℃；t=1 s时，T=40 ℃；t=2 s时，T=30 ℃；t=3 s时，T=20 ℃；t=4 s时，T=5 ℃。从中可以看出：当负载较小时，随着温度的不断变化，光伏电池输出最大功率满足不了输出端电压为48 V时负载所需功率，输出端电压会随之变化，不能稳定在48 V；但负载功率均为不同条件下光伏电池所能输出的最大功率。

图6(c)中光照强度与环境温度变化情况分别和(a)、(b)一样，而这两种情况的仿真结果完全相同，从中可以看出：当负载较大时，不管是光照强度变化，还是环境温度变化，只要光伏电池输出最大功率可以满足输出端电压为48 V时负载所需功率，输出端电压就会一直稳定在48 V。

3.2 负载变化

在标准环境温度和标准光照强度的测试条件下，不断改变阻性负载大小(初始值R=10 Ω，2 s后并联100 Ω电阻，3 s后串联50 Ω电阻)，仿真结果如图7所示。

从仿真结果可以看出，当负载较小时，所需功率较大，超过光伏电池所能提供的最大功率，因此负载端电压会往下掉，小于48 V；当负载增大后，所需功率小于光伏电池所能提供的最大功率，负载端电压稳定在48 V。

4 结论

本文基于光伏电池典型单二极管等效电路，建立了相应的数学模型，搭建了通用仿真模型，并在光照强度和环境温度独自变化的情况下进行了仿真分析，结果表明光伏电池输出特性受二者影响比较明显。然后在基于改进电导增量法的MPPT控制方法的基础上搭建了独立光伏系统，并在环境因素和负载变化的不同条件下进行了仿真。仿真结果表明不管外界条件怎么变化，只要光伏电池的最大功率可以满足负载所需功率，输出端电压就可以一直稳定在48 V；反之，输出端电压就不能稳定在48 V，但负载功率均为不同条件下光伏电池所能输出的最大功率。这充分证明了最大功率跟踪控制策略的有效性以及所搭建光伏系统独立供电的合理性与可行性。