引言
随着世界社会的经济迅猛发展，能源和资源需求大幅增长。太阳能由于具有绿色、无污染、无噪音等独特的优点，已经成为一种最具潜力的、新的、重要的能量来源。近年来，绿地灌溉逐步采用自动灌溉的方式，但自动灌溉设备仍依赖市网提供电能，加重了市网用电负荷，且有些灌溉区域根本无法采用市网供电。将太阳能光伏发电应用于绿地灌溉，达到了节约电能的目的。
光伏发电是太阳能应用研究的一个核心。太阳能是一种非线性元件，其输出最大功率点和最大功率点电压会随着光照强度和环境温度的变化而变化，只有在某一电压下才能输出最大功率。因此，为了提高光伏电池的转换效率，使其在同样日照强度和环境温度下输出尽可能多的电能，需要在光伏阵列工作时对其进行最大功率工作点跟踪控制。
1 MPPT 工作原理
1． 1 太阳能电池电气特性
太阳辐照度和组件温度是影响太阳能电池输出功率的两个主要因素。研究证明:太阳能电池在同一温度下，太阳辐照度越低，输出电流越低，相应最大功率点也越低;但开路电压基本保持不变。图 1、图 2给出了光伏电池在不同光照强度和不同温度条件下的输出特性曲线。
1． 2 最大功率跟踪原理
从以上面分析可知，太阳能电池的输出功率受太阳辐照强度与环境温度影响较大。在实际情况中，太阳能电池需要连接负载。因太阳辐照与环境温度都具有很强的变化性，太阳能电池的输出功率可能偏离其最大功率点，导致太阳能电池功率输出与负载无法实现最佳匹配，使太阳能电池的发电效率降低。为了让太阳能电池工作在高效状态，本文通过供电主回路中的前级降压斩波电路与负载相连，并对降压斩波电路中的功率管 V1进行脉冲宽度调制(PWM)，改变太阳能电池的等效负载，以实现太阳能电池最大输出功率与负载相匹配，从而达到最大功率跟踪的目的。
2 MPPT 控制算法研究
2． 1 系统结构
由于太阳能光伏绿地自动灌溉系统中所有负载供电都通过太阳能独立供电环节提供。所以，系统主回路在工作过程中不仅要让太阳能电池工作输出电压维持在最大功率点(MPPT)附近，使得太阳能电池板实时输出功率最大，而且又要实现多电压等级电能输出。综合考虑，本文供电主回路采用前级降压斩波电路(buck chopper)，后级采用 LTM4605 与 LM7805实现系统 12、5V 的直流电压输出与负载相匹配。电路结构如图 3 所示。
2． 2 MPPT 控制算法
由图 1 和图 2 可知，在温度变化稳定时，不同辐照状态下最大功率点所对应的电压基本稳定在太阳能电池板的最佳输出电压附近(本文所采用的太阳能电池板的最佳输出电压为 37． 7V)，所以把最大功率点跟踪转化为对电压的跟踪，即采用恒压跟踪法。此方法追踪速度快，对太阳辐照发生突变和负载发生突变时适应性强，但在温度变化较大时追踪精度偏低。
在温度变化时，由于太阳能电池的开路电压变化，所以采用电压追踪无法满足系统要求，可采用扰动观察法。为了让输出功率在小范围内逼近最大功率输出点，采用了如图 4 所示的控制算法流程。首先对电压、电流采样后，分别与前一次电压、电流求差，并计算出功率和电压差值;通过电压差值与功率差值求积，根据积值的正负性，判断最大功率点追踪方向。当积值等于 0 时，说明太阳能电池工作在最大功率点;当积值小于 0 或者大于 0 时，说明太阳能电池未工作在最大功率点。此时，控制系统给出一个占空比增量，让系统接近最大功率点，这样不断地扰动就可让太阳能电池输出功率接近最大功率点。扰动观察法跟踪方向如图 5 所示。
3 基于 MatLab 的 MPPT 算法仿真
3． 1 仿真模型
根据太阳能电池数学模型、供电主回路以及最大功率点跟踪算法，用 MatLab 建立仿真模型。该模型主要由太阳能电池模型、降压斩波电路模块和MPPT 控制模块 3 部分组成，如图 6、图 7、图 8 所示。
其中，主回路元器件参数分别如下:L1为 318μH ，电容为 380μF，功率开关管频率为 20kHZ。本太阳能电池板温度 25℃、太阳辐照 800W/m2时，以及太阳能电池板温度 25℃、太阳辐照 1 000W/m2时，太阳能电池仿真模型的各参数如下:Vm= 37． 7V，Im= 5． 05A，最大功率为 190W。其扰动步长和采样周期为 0． 001。
3． 2 仿真结果
太阳能电池板温度 25℃、太阳辐照由 1 000W/m2变为 800W/m2时，太阳能电池输出端的电压、电流、功率的仿真结果如图 9 所示。
太阳能电池板温度 25℃、太阳辐照由 800W/m2向1 000W / m2升高时，太阳能电池输出端的电压、电流、功率的仿真结果如图 10 所示。
太阳辐照 1 000W/m2、太阳能电池板温度从 25℃变为 55℃时，太阳能电池输出端的电压、电流、功率的仿真结果如图 11 所示。
太阳辐照 1 000W/m2、太阳能电池板温度从 55℃变为 25℃时，太阳能电池输出端的电压、电流、功率的仿真结果如图 12 所示。
4 结论
当温度不变时，增强太阳辐照，太阳能电池的输出电压略有变化，而电流明显增大;当温度不变时，减弱太阳辐照，太阳能电池的输出电压略有变化，而电流降低。当太阳辐照不变、温度变大时，电压变小，电流略有增加，功率下降;当太阳辐照不变、温度降低时，电压变大，电流略有降低，功率增加。因此，所建立的模型基本符合实际情况。本文所研究的最大功率点跟踪算法无论温度参数和辐照参数如何变化，系统均能快速响应并能实现太阳能电池的输出功率稳定在最大功率点附近，各参数波动范围小。
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