基于占空比擾動法的最大功率點跟蹤研究

李加奎

（安徽理工大學，安徽 淮南 232001）

由于光伏電池組件的P-V特性是具有單峰的非線性曲線，由其串聯組成的光伏陣列最大功率點也會受到外界環境溫度和光照強度等條件的影響。因此，如何提高最大功率點成為光伏發電系統必須面對的問題。

從總體上看，光伏陣列的輸出功率P呈單峰形狀，即開口向下的拋物線。在峰值點處，外部負載電阻和光伏組件內阻相等，這是光伏陣列最大輸出功率時的特點。因此，光伏陣列最大功率點跟蹤的實質是在光伏陣列和負載之間加入阻抗變換器，利用相關算法實時控制阻抗變換器，使得變換后的等效負載阻抗總是等于光伏陣列的內阻，從而保證光伏陣列一直工作在最大功率點附近。

傳統的最大功率點跟蹤方法有定電壓法，開路電壓比例系數法，擾動觀察法，增量電導法等，這些方法在最大功率點的跟蹤精度和跟蹤速度這兩個方面無法達到兩全其美，只能在某一個方面的跟蹤效果好，但是在另一個方面跟蹤的效果不好。本文介紹的變占空比擾動法在最大功率點跟蹤速度和跟蹤精度兩個方面都比擾動法在這兩個方面達到的效果都好，做到了兩者的兼顧。

1 擾動法和變占空比擾動法流程

擾動觀察法，又稱為爬山法，由于其結構簡單，需要測量的參數較少，所以這種方法被普遍用于光伏電池的最大功率點跟蹤。其原理就是引入一個小的變化，然后進行觀測，并與前一個狀態進行比較，通過比較的結果就可以調節電池的工作點。具體做法是通過改變光伏電池的輸出電壓，并實時地采樣光伏電池的輸出電壓和電流，通過DSP計算出功率，與上一次的結果進行比較，如果小于上一次的值，則說明本次控制使得輸出功率降低了，應該控制使得光伏電池輸出電壓按原來相反的方向變化，如果大于，則維持原來增大或者減小的方向，這樣就保證了使得太陽能輸出向增大的方向變化。如此反復的擾動、計算、比較，使光伏電池板達到最大功率點，實現最大功率輸出。擾動觀察法的流程如圖1所示。

圖1 擾動觀察法控制流程

圖2 引入曲線變化率的變占空比算法流程

根據相關資料可以查得基于固定占空比的P-D特性曲線如圖3所示。

圖3 光伏系統P-D曲線

當工作點位于Pk點時，因為在最大功率點左邊時dp/du>0，當工作點由PK運動到Pk－1，ΔD=Dk－1－Dk<0，此時ΔP=Pk－1－PK<0，說明ΔD的運動方向與實際需要的運動方向相反，此時在Pk工作點處，ΔD的運動方向應該是增大的方向。同理，在最大功率點右邊ΔD的運動方向與ΔD在最大功率點左邊的運動相反。

在圖2變占空比算法流程圖中，引入一個極小的參數a，令a=tan｜ΔP/ΔD｜，因為在tan｜ΔP/ΔD｜是P-D曲線的變化率，而且在最大功率點左側達到最大功率點之前，tan｜ΔP/ΔD｜是一個先大后小的正數，引入曲線本身的變化特性作為變步長，可以很好地跟蹤曲線的變化，進而能夠很好地跟蹤光伏組件的最大功率點。

2 仿真對比分析

基于變占空比擾動法的仿真模型如圖4所示，在基于變占空比擾動法的輸出電壓、電流、功率的波形如圖5所示，基于擾動觀察法的輸出電壓、電流、功率的波形如圖6所示。

3 仿真分析

通過圖6可以看出，擾動法在最大功率的跟蹤速度可以達到要求，但是起始階段在跟蹤的過程中出現紋波，說明不能達到兩者兼顧。與圖5相比，在起始階段的跟蹤精度，圖6幾乎沒有紋波波動，說明占空比擾動法比擾動法更具有優越性，占空比擾動法實現了最大功率的跟蹤速度和跟蹤精度的兩者兼顧。

圖4 基于變占空比擾動的仿真模型

圖5 基于占空比擾動的輸出U、I、P波形

圖6 基于擾動法的輸出U、I、P的波形

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