一種新的光伏系統(tǒng)MPPT方法

云南大學(xué)信息學(xué)院 ■ 尹灼峰 蔡光卉 余江 高洪建 夏鍇

武警重慶市總隊 ■ 張齊龍

0 引言

在資源日趨緊張的今天，石油、煤炭等常規(guī)能源畢竟數(shù)量有限，且在開采和使用中會對環(huán)境造成影響，而太陽能光伏發(fā)電因為環(huán)保、低碳等優(yōu)勢受到人們的青睞[1]。太陽能發(fā)電的工具是光伏電池，光伏電池具有非線性特征，且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度的影響較大，為了提高發(fā)電效率，必須采用的技術(shù)是最大功率點跟蹤MPPT(Maximum Power Point Tacking)。目前常用的MPPT算法有：恒定電壓法、擾動觀察法和增量電導(dǎo)法等，然而這些方法都各有缺陷。面對這種情況，有人提出很多改進策略，不過這些新方法越改進越復(fù)雜，控制起來難度越高。本文試圖提出一種方法相對簡單的MPPT算法。

1 光伏電池的模型

根據(jù)文獻[2]，可將光伏電池陣列等效為如圖1所示的電路圖。

圖1 光伏電池陣列等效電路圖

根據(jù)圖1的電路模型，可得到：

所以，輸出端電流為：

式中：IL為光生電流源，其值正比于光伏陣列的表面積、光照強度等；I0為光伏電池內(nèi)部等效二極管的p-n結(jié)反向飽和電流，它與材料特性有關(guān)；A為二極管的品質(zhì)因子；q為電子電荷1.6×10-19C ；k為玻爾茲曼常數(shù)1.38×10-23J/K；T為絕對溫度，T=t+273 K；Rs為串聯(lián)電阻，一般小于1 Ω，主要由電池的表面電阻、導(dǎo)體電阻、電極與硅表面接觸電阻等組成；Rsh為并聯(lián)電阻，是旁路電阻，阻值巨大，可達幾千Ω。

當(dāng)視Rs為無窮小、Rsh為無窮大，則式(2)簡化為：

由式(3)知，由輸出電壓V可計算得到輸出電流Iph，進而得到輸出功率P=VIph。

綜上所述，為了充分使用太陽能，就要使光伏電池的輸出功率P盡可能大，而P值直接取決于V，即通過調(diào)節(jié)V到恰當(dāng)?shù)闹担色@得最大的功率輸出，這就是光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)。

2 目前常見的MPPT方法

2.1 恒定電壓法

當(dāng)溫度一定時，光伏電池輸出特性曲線上最大功率點電壓基本固定在電壓值附近小范圍內(nèi)，因此根據(jù)實際系統(tǒng)設(shè)定一個恒定的運行電壓，讓系統(tǒng)始終保持在某一個設(shè)定電壓下工作，從而盡可能地輸出最大功率。該方法將MPPT轉(zhuǎn)化為穩(wěn)壓控制，設(shè)計簡單，成本較低，但準確性不高。

2.2 擾動觀察法

在光伏電池工作的外部環(huán)境變化不大時，可假設(shè)其P-U曲線是一個單峰值的曲線先讓光伏陣列工作在某一參考電壓，每隔一段時間對系統(tǒng)給予擾動，即增加或減小一個電壓值dV，然后與擾動前的功率值進行比較，從而判斷下一次擾動是增加還是減小。

這種方式的缺點是：擾動步長dV難以確定，dV過小會延長跟蹤時間，而過大則會降低跟蹤的精確度，很難在快速與精確之間取得平衡；且在穩(wěn)態(tài)時，盲目給予擾動會造成功率的額外損失；當(dāng)光照強度突變時，產(chǎn)生誤判的可能性也很大。

對此，有人提出了變步長的擾動觀察法[3]：當(dāng)擾動dV后，dP變小時減小下一次擾動的步長dV值；相反，則增大下一次擾動的步長dV值。這是目前常用方法之一，其使用的局限性在于方法假定了環(huán)境溫度和光照情況等外部條件未發(fā)生變化。

2.3 電導(dǎo)增量法

由光伏電池的P-V單峰值曲線可知，在最大功率值Pmax處必有dP/dV=0，當(dāng)dP/dV>0時Pmax在其右側(cè)，說明參考電壓應(yīng)繼續(xù)向增大的方向變化；當(dāng)dP/dV<0時Pmax在其左側(cè)，說明參考電壓應(yīng)該向減小的方向變化。為了提高精確度以及讓光伏陣列更加穩(wěn)定于Pmax附近，有人提出了變步長的電導(dǎo)增量法[4]：當(dāng)參考電壓接近Pmax時減小步長，當(dāng)參考電壓遠離Pmax時加大步長。

2.4 其他常見MPPT方法：

因為光伏電池的數(shù)學(xué)模型很難得到精確描述，它與光伏板材料有關(guān)，與工作時的環(huán)境溫度有關(guān)，與工作時的光照強度及光照角度等都有關(guān)系，而這些外部因素在實際中又時刻變化，所以，嚴格地說，光伏電池數(shù)學(xué)模型也在時刻變化，這樣就更不容易被描述了。因為模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法不依賴被控對象的精確模型，因此也常被用于光伏系統(tǒng)MPPT。

這些新方法都比傳統(tǒng)方法先進，不過實現(xiàn)起來并不那么容易，且成本控制方面不見得有太大優(yōu)勢。本文試圖提出一種方法簡單、成本便宜的新的MPPT方法。

3 本文提出的MPPT方法

3.1 基本思想

光伏電池陣列的P-U關(guān)系曲線如圖2所示，在第一階段，以一個較大電壓間隔△D把U值可能的取值范圍分為很多段，并分別得到對應(yīng)段上的P值，然后比較各P值大小，找到P值最大的點(如圖2中的P1點)；只要△D選取合適，最大功率點Pmax肯定就在P1點附近；第二階段，再以P1點為中心，△D為半徑，P2、P3點為界組成的區(qū)域內(nèi)以較小的電壓間隔△d細分為更小的小段，然后同理得到各小段上的P值并比較得出最大值，此時的最大值點(圖2中Pmax點)已經(jīng)是(或者已經(jīng)非常接近于)真正的最大功率值Pmax了。

3.2 MPPT方法的優(yōu)點

1) 方法簡單且成本較低。主要需要做的就是各分段上的電壓采集，再通過式(2)計算得到相應(yīng)的電流值，從而得到各點處的輸出功率P。該方法不需要微分器、積分器等復(fù)雜設(shè)備，在成本控制上也有優(yōu)勢。

2) 值得一提的是，傳統(tǒng)方法基本都假設(shè)了P-U曲線是光滑的單峰曲線，而事實上光伏電池板會因為所處環(huán)境的變化而時刻發(fā)生變化，從而造成P-U曲線并非如此光滑，也并非真正的單峰。如光伏板上有陰影出現(xiàn)時，P-U曲線會形成明顯的局部峰值，成為多峰狀。如圖3所示，P0點處的峰值并非真正的Pmax值，傳統(tǒng)方法很有可能會陷入該局部峰值，而本文的方法卻不會。

圖3 當(dāng)P-U曲線出現(xiàn)多峰值時

3.3 仿真

我們在標準測試條件下(溫度25 ℃，光照1 000 W/m2)，采用南京研旭自動化設(shè)備有限公司提供的光伏板進行測試，利用式(2)得到光伏電池板的P-U曲線，如圖4所示的單峰曲線。

圖4 第一階段P-U曲線

圖5 第一階段抽樣(ΔD)

圖6 第一階段功率輸出

第一階段：先對光伏板可能的輸出電壓范圍U(0～48 V)以間隔△D(仿真中△D=1V，共抽取49點)進行分區(qū)抽樣(圖5)，并得到對應(yīng)的功率輸出(圖6)。經(jīng)第一階段的抽樣和比較，得知在U=37 V處輸出功率最大，Pmax1=158.560 6 W。

第二階段，將目標集中到U=37 V點附近，半徑為△D的區(qū)域內(nèi)(如圖7所示的區(qū)域)，并在此區(qū)域內(nèi)以△d(仿真中△d =0.04 V，共抽樣51個點)為電壓間隔進行分段抽取，如圖8所示。在此階段，由于系統(tǒng)一直在最大功率點附近(圖9)，整個過程中縱坐標并未有大幅度變化，說明此階段并未造成太多的功率損失。經(jīng)第二階段的抽樣和比較，得知在U=36.28 V處輸出功率最大，Pmax2=158.589 1 W，該值正是我們要跟蹤的最大功率值。

綜合以上過程，可得到系統(tǒng)在整個過程的功率輸出，如圖10所示。當(dāng)在第一階段(t=0～47處)，要遍歷整個電壓區(qū)域采樣會造成一定的功率損失；然而在第二階段(t=48～99處)，系統(tǒng)基本穩(wěn)定于最大功率值附近，并未造成太大功率損失；第二階段結(jié)束后系統(tǒng)已跟蹤到最大功率點，之后趨于穩(wěn)定。

圖10 采用本算法得到的輸出功率

4 分析及總結(jié)

1) 仿真中第一階段得到Pmax1=158.560 6 W，該值非常接近于真正的最大值Pmax2(158.589 1 W)，所以只要電壓間隔△D和△d選取合適，經(jīng)過兩個階段，該算法能跟蹤到最大功率值。當(dāng)然，如果因為電壓間隔選取過大等原因，得到數(shù)值不夠精確，則可同理進行電壓間隔更小的第三階段的分段。

2)如何更快速地跟蹤到最大功率點，減少在尋找過程所造成的功率損失呢？這與采樣間隔△D和△d有關(guān)。因為第二階段，系統(tǒng)已工作于很接近最大功率點附近，并未造成太大功率損失，所以主要與△D有關(guān)。當(dāng)△D越大，能更快速地跟蹤到最大點，減少功率損失，但也不能過大，因為△D越大，最大功率跟蹤的準確性會降低?？梢姡焖傩耘c準確性之間存在矛盾，需要權(quán)衡。

3)實際中，最大功率點往往不是固定在某一點，而是會發(fā)生移動，本算法在找到最大功率點后，如何穩(wěn)定地跟蹤到新的最大功率點？本算法在第二階段找到最大功率點后，系統(tǒng)便工作于該點(如仿真得到U=36.28 V的點)，為適應(yīng)最大功率點發(fā)生偏移的情況，可在每隔一個時間間隔△t就在最大功率點為中心，△D為半徑的范圍內(nèi)重復(fù)第二階段的電壓分段抽取，并跟蹤到新的最大功率點。因為重復(fù)的是第二階段，所以并未造成太大功率損失(圖10)。當(dāng)然，如果新得到的值與之前的值相差甚遠，則說明發(fā)生了突發(fā)情況，實際的最大功率點可能已不在第二階段所抽樣的電壓范圍內(nèi)，此時可考慮從第一階段開始再次進行最大功率點跟蹤。

[1]韓玉爭.光伏發(fā)電中MPPT控制方法概述[J]. Silicon Valley,2013, 9: 105.

[2]張歡歡.光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的算法研究與系統(tǒng)設(shè)計[D]. 上海: 東華大學(xué), 2013.

[3]袁芳. 對改進擾動法實現(xiàn)MPPT最大功率點跟蹤的研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2013, 22: 51.

[4]黃勤, 趙靖, 凌睿, 等.基于改進變步長電導(dǎo)增量法的MPPT控制[J]. 計算機工程, 2013, 39(2): 245－249.