光伏電池最大功率點跟蹤控制方法的對比研究及改進

王麗萍，張建成

（華北電力大學 電力工程系，河北 保定 071003）

面對日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態環境，人類需要進行第三次能源結構轉換，從礦物能源向可再生能源轉換，用可再生能源替代礦物能源，用無碳能源、低碳能源替代高碳能源[1]。為降低對傳統能源的依賴，世界對新型能源的重視越來越高。太陽能是最具潛能的新能源形式之一，其中光伏發電是太陽能利用的有效方式之一。光伏發電具有許多優點，如：安全可靠，無噪聲，無污染，能量隨處可得，無需消耗燃料，不受地域限制，規模大小隨意，無需架設輸電線路，可以方便地與建筑物相結合等，這些優點都是常規發電和其他發電方式所不可比擬的[1]。在光伏發電系統中，要提高系統的整體效率，達到充分利用太陽能資源的目的，一個重要的途徑就是實時調節光伏電池的工作點，使之工作在最大功率點附近，這一過程就稱為最大功率點跟蹤[2]。

1 光伏電池模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數學模型

在光照強度和環境溫度一定時，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示[1,3]。

圖1中，UJ為PN結電壓，Id為光伏電池在無光照時的飽和電流

圖1 光伏電池等效電路

一個理想的太陽能電池，由于串聯電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進行理想電路的計算時，它們均可忽略不計。由圖1的太陽能光伏電池等效電路得出：

式中，I為光伏電池輸出電流；I0為PN結的反向飽和電流；Iph為光生電流；U為光伏電池輸出電壓；q為電子電荷，q=1.6伊10-19C；k為波爾茲曼常數，k=1.38伊10-23J/K；T為熱力學溫度；n為N結的曲線常數；Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

1.2 光伏電池電氣特性

光伏電池的輸出特性主要通過I-U和P-U特性曲線來加以體現[4]，如圖2所示。

圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線與工作環境的光照、溫度等因素有著密切的關系，且具有明顯的非線性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點，所以為了實現光伏發電系統的輸出功率的最大化，需要對光伏電池的輸出功率進行最大功率點跟蹤。

2 MPPT控制方法的對比分析

國內外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動觀測法/爬山法、電導增量法等[2]。恒定電壓法（CVT）就是將光伏電壓固定在最大功率點附近，該控制方法簡單容易實現，初期投入少，系統工作電壓具有良好的穩定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對光伏電池開路電壓的影響，測量開路電壓要求光伏陣列斷開負載后再測量，對外界條件的適應性差，環境變化時不能自動跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動觀測法（P&O）和爬山法（Hill Climbing）都是通過不斷擾動光伏系統的工作點來尋找最大功率點的方向，該控制方法控制思路簡單，實現較為方便，跟蹤效率高，提高太陽能的利用效率，但是擾動觀測法或爬山法的步長是固定的，如果步長過小，就會導致光伏陣列長時間地停滯在低功率輸出區，如果步長過大，就會導致系統振蕩加劇，并且在日照強度變化時會產生誤判現象。電導增量法是通過調整工作點的電壓，使之逐步接近最大功率點電壓來實現最大功率點的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點電壓的相對位置，能夠快速地跟蹤光強迅速變化引起的最大功率點變化，控制效果好，穩定度高，但是該控制算法較復雜，對控制系統性能和傳感器精度要求較高，硬件實現難。

除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現一些較新、較實用的MPPT算法，如直線近似法、三點重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎上進行了改進和創新，跟蹤精度有了進一步的提高。同時，以模糊控制法、神經網絡控制法等為代表的新算法的出現，也為最大功率點跟蹤控制技術的快速發展提供了堅實的數學基礎和理論依據[3-4]。對于各種MPPT算法優缺點的比較分析如表1所示。

由以上研究分析發現，每種MPPT控制方法各有其優缺點，在實際工作中需要綜合考慮，根據不同的環境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

表1 MPPT控制方法比較

3 改進爬山法研究

考慮到爬山法有較好的跟蹤效率，且實現簡單等顯著優點，本文采用一種改進爬山法，該方法采用CVT啟動及變步長的控制策略。CVT啟動方法是以0.78倍的開路電壓作為爬山法的運行初值，能較好地克服爬山法在啟動時產生的采樣誤差的缺點，能提高跟蹤速度。變步長控制法的思想是：當距最大功率點比較遠時，步長取較大，跟蹤速度加快；當距最大功率點比較近時，步長取較小，慢慢接近最大功率點；當非常接近最大功率點時，穩定在該點工作[5]。該變步長法能克服爬山法在最大功率點附近振蕩的缺點。改進爬山法控制流程圖如圖3所示。

4 改進爬山法仿真分析

圖3 改進爬山法控制流程圖

光伏發電系統最大功率點跟蹤器采用Boost DC/DC變換電路來實現，通過調節PWM波的占空比控制功率的輸出。

在Boost變換器的電路中串入MPPT控制系統，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，編寫S函數作為MPPT的控制模塊，對光伏電池的最大功率點進行追蹤，MPPT仿真模型如圖4所示。

圖4 MPPT仿真模型

對短路電流3.2 A、開路電壓22 V、最大功率點電流2.94 A和最大功率點電壓17 V的光伏電池模塊組成17伊1的光伏電池陣列進行仿真，即其短路電流和光伏電池陣列的開路電壓分別為3.2 V和374 V，光伏電池陣列最大功率點電流和最大功率點電壓分別為2.94 A和289 V。光伏陣列輸入光強為1 000 W/m2，溫度為25益。

為了形成對比，對不加MPPT控制器的光伏發電系統、加爬山法MPPT控制器的光伏發電系統和加改進爬山法MPPT控制器的光伏發電系統分別進行仿真實驗，仿真結果如圖5所示。

由圖5可見，未加MPPT控制的光伏電池輸出功率振蕩范圍很大，輸出功率很不穩定。爬山法MPPT控制系統能較好地跟蹤到最大功率點，但是在最大功率點處還有一定振蕩。改進爬山法的MPPT控制系統有效地改善了爬山法的缺點，在最大功率點附近振蕩小，跟蹤速度也比較快，提高最大功率跟蹤的效率。

圖5 MPPT仿真圖形

5 結論

綜上所述，通過對幾種常見的MPPT控制方法的比較研究，可以看出，恒定電壓法控制簡單且易實現，但跟蹤精度差，在外界環境變化時，會產生較大誤差；爬山法簡單實用、跟蹤效率高，但在最大功率點附近會發生振蕩，存在誤差；電導增量法雖然跟蹤快速穩定，但由于實際的光伏發電系統中電壓和電流的檢測所依賴的傳感器精度的有限性，采用電導增量法很難達到預期的最大功率跟蹤效果。所以本文采用一種改進爬山法，并對其進行仿真實驗，仿真實驗證明基于變步長的改進爬山法能夠克服爬山法存在的振蕩現象和能量的損失，并且結合CVT啟動能夠更加快速地實現最大功率點跟蹤。因此改進爬山法克服了常規跟蹤算法中存在的效率低、能量損失大、不穩定等的缺點，可以很好地適應各種場合對光伏系統MPPT控制的要求，是一種較理想的MPPT控制方案。

[1]車孝軒.太陽能光伏系統概論[M].武漢：武漢大學出版社，2006.

[2]ENRIQUE J M，ANDU’JAR J M，BOHO’RQUE M A.A Reliable，Fast and Low Cost Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Applications[J].Solar Energy，2010（84）：79-89.

[3]SALAS V，Ol'as E，BARRADO A，La'zaro A.Review of the Maximum Power Point Tracking Algorithms for Standalone Photovoltaic Systems[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2006，90：1555-1578.

[4]崔巖，蔡炳煌，李大勇，等.太陽能光伏系統MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學報，2006，27（6）：536-538.

[5]GEOFF WALKER.Evaluating MPPT Converter Topologies usingaMatlab PVModel[J].JournalofElectrical&Electronics En-gineering，2001，21（1）：49-55.