基于恒定電壓優化的光伏系統MPPT控制方法

張新亮

（南通紡織職業技術學院 江蘇 南通 226007）

太陽能作為一種可再生的能源已經日益受到世界各主要發達國家的重視，而光伏發電在未來將成為解決能源危機和環境問題的有效手段之一。為了使光伏發電系統的能量產出最大化，通常會使用MPPT（最大功率點跟蹤）技術來控制光伏發電系統。在眾多的MPPT技術中，擾動觀察（P&O）法[1]是最常使用的方法，因為它控制結構簡單，需要的測量參數較少。這種算法是通過擾動可變控制，然后比較擾動后PV電源的瞬時輸出值與之前的值，但是在MPP過程中會存在一定范圍內的擾動和波動；擾動觀察法的另一個缺點是：在日照劇烈變化的情況下，有可能失去對光伏器件MPPT的控制能力。電導增加法[2]是根據d I/d V和I/V之間的關系來調整工作點電壓從而實現最大功率跟蹤。它的原理是：在最大功率點（MPP）時，PV的輸出功率與電壓的微分值是零。這種算法的優點是在最大功率點處沒有波動（靜態時）。爬山法[3]也是光伏發電系統最大功率點跟蹤常用的方法。它很簡單，但是收斂的速度太慢。恒定電壓法是一種最簡單的最大功率跟蹤方法，其本質就是設定一個恒定電壓，在跟蹤過程中，輸出電壓不斷跟蹤該電壓值進而實現最大功率跟蹤，但是其跟蹤效率低、輸出效率低、浪費嚴重。綜述，這些方法都存在缺點，很難在自然環境變化的情況下快速、準確地跟蹤實際最大功率點。

文中提出了一種基于改進型恒定電壓算法的光伏發電系統的最大功率跟蹤策略。這種方法能夠在外部環境變化的情況下，通過對溫度、日照度、反向飽和電流進行綜合補償，快速、有效的追蹤實際最大功率點。

1 優化電壓MPPT算法的工作原理

恒定電壓法是一種最簡單最常用的MPPT方法，當溫度保持恒定的情況下，光伏陣列在最大功率點處的工作點基本固定在某一個電壓值附近，即光伏陣列的最大功率點電壓Um和開路電壓Uoc存在一種近似的線性關系，兩者之間存在的線性關系可用關系式Um=k Uoc表示。其中k是一個比例常量，在照度較高的情況下，文獻[4]給出了一個具體的數值0.76，記為Um=0.76Uoc。當光伏陣列的輸出電壓始終在Um值附近，就可以近似地保證光伏陣列的輸出功率在最大功率點附近，這種方法即為恒定電壓法。

這種控制算法原理簡單，易于實現，系統穩定性高，并且不會出現振蕩現象，具有較好的穩定性。但是由于該控制策略基于光伏陣列的最大功率點電壓和開路電壓之間的關系是近似的線性關系，存在著一定的誤差，系統跟蹤到的工作點也不是真正的最大功率點，會產生一定程度上的偏移，而且當溫度變化較大時，產生的偏移會增大，所以恒定電壓法不能保證光伏陣列的輸出功率始終工作在最大功率點處，會使光伏陣列的效率降低，造成較大的能量損耗。

針對傳統恒定電壓法的缺點，本文通過優化輸出電壓實現最大功率跟蹤。所實現的優化電壓算法如下：首先，假定恒定近似優化電壓系數為0.76，然后通過仿真找出溫度、照度、二極管品質因子和反向飽和電流對優化電壓系數的影響，最后確定實際的優化電壓系數。當然該實現的算法也必須首先得到光伏組件實際的n和Io值。

首先假設優化電壓系數為K=0.76，圖1工作環境溫度為-30℃，照度由100 W/m2變化到1 kW/m2條件下得到的一組電壓和功率曲線。曲線顯示了假設優化電壓系數K=0.76時的最大功率輸出曲線P′max，并和實際的最大功率輸出曲線Pmax進行了比較，由圖可知該近似系數和實際系數的輸出仍有較大的誤差，該誤差受到溫度、照度、n和Io的影響，所以要實現最大功率跟蹤就必須分析上述因素對優化電壓系數的影響。

圖1 K=0.76時的輸出P′max與實際的P max輸出的比較Fig.1 P-I characteristics and draws a comparison between the P max curve and the P′max curve at K=0.76 under the known n and Io conditions

2 恒定電壓優化算法在MPPT中的應用

2.1 溫度的優化補償

圖2顯示了同一塊光伏組件，在不同溫度情況下的Pmax和P′max曲線，由圖可知溫度對優化輸出電壓系數有非常大的影響，即優化電壓系數的溫度補償是必不可少的，通過仿真得到的溫度補償系數如式（1）。

圖2 在不同溫度情況下P max和P′max輸出曲線Fig.2 P maxcurve and P′max curve under different temperature conditions

2.2 日照度的優化補償

圖3 顯示了同一塊光伏，在不同照度情況下的Pmax和Pm′ax曲線，由圖可知照度對優化輸出電壓系數也有較大的影響，即優化電壓系數的照度補償是必不可少的，通過仿真得到的照度補償系數如式（2）。

圖3 在不同照度情況下P max和P′max輸出曲線Fig.3 P maxcurve and P′max curve under different radiation conditions

2.3 反向飽和電流的優化補償

圖4顯示了同一塊光伏，在經過溫度和照度補償后的Pmax和P′max曲線，由圖4（a）、（b）可知，在照度相同的情況下，不同的n和Io對優化輸出電壓系數的影響是不同的；圖4（c）、（d）可知，在溫度相同的情況下，不同的n和Io對優化輸出電壓系數的影響也是不同的，所以優化電壓系數的n和Io補償是必不可少的。通過仿真，反向飽和電流補償系數如式（3）所示。

圖4 經過溫度和照度補償后的P max和P′max輸出曲線Fig.4 P max curve and P′max curve after temperature and radiation repair

仿真證明n對優化電壓輸出系數沒有太大的影響，因此綜合溫度、照度和反向飽和電流值補償后的優化電壓系數為式（4）所示。

Kp（V）=0.76+ΔKSj（V）-ΔKT（V）+ΔKIo（V）（4）

其中，Kp（V）為經過綜合補償后得到的優化電壓系數；ΔKSj（V）為優化電壓的照度補償系數；ΔKT（V）為優化電壓的溫度補償系數；ΔKIo（V）為優化電壓反向飽和電流補償系數。

3 實驗證明

3.1 實驗系統的創建

實驗系統的原理圖在圖5中給出。實驗系統的構成：光伏組件、DC/DC電路、直流負載、蓄電池、控制器等。光伏發電系統的輸出具有強烈的非線性，受外界天氣影響較大；同時直接將光伏與負載相連接，不但不能滿足負載電壓電流需求，也不能實現光伏最大功率輸出，所以現代光伏發電系統一般通過控制DC/DC電路的MOSFET或IGBT的開關占空比來實現MPPT。本文主要討論分布式的光伏發電系統的MPPT控制策略，所以負載采用直流負載[5-6]。

圖5 實現的MPPT控制電路Fig.5 Proposed control circuit for maximum power point tracking

本文采用TMS320LF2407A DSP來進行控制和產生PWM波形，DC/DC電路采用Sepic電路作為MPPT控制電路，其開關器件的工作周期是由DSP基于恒定電壓優化的MPPT算法計算得到的，從而使輸出功率最大化。DSP能實現復雜的算法，控制Sepic變換器的開關，從而實現在各種條件下的快速響應。

3.2 實驗結果討論

在各種天氣狀況和變負載的情況下，輸出功率如圖6所示，同時和傳統控制方法的輸出進行了比較。圖6（a）是照度逐漸上升和變負載的情況下的輸出；圖6（b）是照度不穩定和變負載的情況下的輸出。由仿真得到的波形可以看出，該控制電路的輸出效率一般都超過80%，部分照度情況下輸出效率超過95%。所以這一改進在不增加硬件成本的基礎上明顯提高光伏輸出的效率，輸出動態特性有明顯改善，同時算法的跟蹤速度非常迅速。

圖6 在變負載情況下實現MPPT控制方法的響應Fig.6 Proposed control scheme is responded under various load resistance conditions

4 結 論

上述的仿真、實驗結果可以看出，在恒定電壓法的基礎上，實現了變電壓MPPT算法，通過對照度、溫度和反向飽和電流對優化輸出電壓影響的分析，利用綜合補償優化了輸出電壓。所實現的功率、電壓雙閉環控制方法明顯提高了光伏輸出的效率，輸出動態特性也有明顯改善，同時算法的跟蹤速度非常迅速。

[1]孫佩石，陶磊.帶有最大功率點跟蹤功能的光伏充電器[J].實用技術，2003，5（111）：18－20.SUN Pei-shi，TAO Lei.PV charger with maximum power point tracking[J].practical technology，2003，5（111）：18－20.

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[4]Huang F，Zhimin G，Forughian T，et al.A new microcontroller based solar energy conversion modular unti[C]//In Proceedings of Power Conversion Conference，1997：697－700.

[5]鄭詩程.光伏發電系統及其控制的研究[D].合肥：合肥工業大學，2005.

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