基于改進的擾動觀察法在光伏發電MPPT中的應用

陳令軍， 戴瑜興,2， 全惠敏

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州325035)

基于改進的擾動觀察法在光伏發電MPPT中的應用

陳令軍1， 戴瑜興1,2， 全惠敏1

(1.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410082；2.溫州大學物理與電子信息工程學院，浙江溫州325035)

光伏電池是一種非線性電源，隨外界環境的變化而變化，為了提高光伏陣列的利用率，光伏系統中需采用最大功率跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)。近年的研究中，提出了許多跟蹤算法，其中應用最為廣泛的是擾動觀察法和電導增量法。在分析擾動觀察法的基礎上，進行優化提出了一種改進的變步長算法，它有效提高了最大功率點跟蹤過程中的跟蹤速率，克服了擾動方向的誤判問題，消除了在最大功率點的振蕩現象。仿真與實驗結果證明了該方法的有效性。

光伏發電；最大功率功率跟蹤；擾動觀察法；光伏陣列；變步長；PID控制

隨著傳統能源的消耗，歐洲發達國家對核能發電的禁止，太陽能受到了越來越多的關注，它作為一種具有可持續發展的綠色能源已成為國、內外研究的熱點，特別是光伏上網電價法的出臺，極大地促進了國內對光伏發電的研究。由于光伏電池的特殊性，它是一種非線性的直流源，它的輸出功率隨著日照強度、電池結溫和串聯電阻的變化而變化。光伏電池的光電轉換效率受到光伏材料與制造工藝的限制，目前市場上一般單晶硅光伏電池的光電轉換效率只有約為14%～16%[1]，所以在實際的應用系統中，為了在同樣的日照強度和電池結溫下最大限度的獲得電能，在光伏器件和輸出負載之間引入了最大功率點跟蹤(maximum power point tracking，MPPT)電路。

MPPT電路常用的控制方法有固定參數法(如固定電壓法、固定電流法)、基于擾動的自尋優控制法(擾動觀察法及電導增量法)、智能處理方法(模糊邏輯控制法、神經網絡法)等[2-4]，其中擾動觀察法與電導增量法研究最為深入，應用最為廣范[5-7]。本文在分析光伏電池特性的基礎上，提出了一種改進的擾動觀察法，并在一臺BUCK型DC/DC光伏充電器上進行了最大功率跟蹤實驗，驗證了改進算法的有效性。

1 光伏電池特性

圖1是光伏陣列的I-V和P-V特性曲線。從圖中可以看出，光伏陣列是一種非線性直流電源。其輸出電流在大部分工作電壓范圍內近似恒定，在接近開路電壓時，電流快速下降；其輸出功率在電壓上升過程中迅速增加，在接近開路電壓時，達到最大功率。

圖1 光伏陣列的I-V與P-V特性曲線

2 MPPT控制算法

2.1 擾動觀察法

擾動觀察法因其控制簡單，成本低而成為了目前最常用的算法。擾動觀察法主要原理是以一定的時間間隔對陣列輸出電壓、電流進行采樣，然后計算得出光伏陣列功率，與上一次功率進行比較，再根據輸出功率的變化決定下一步的動作以實現最大功率跟蹤。圖2為基本擾動觀察法的控制流程圖。

圖2 基本擾動觀察法流程圖

擾動觀察法主要的缺點也與其特點有關，因為其要不斷地在功率點左右擾動，所以當系統在最大功率點時就會存在一定程度的振蕩現象，振蕩的大小與算法所取的跟蹤步長有關。取小步長可以減小振蕩，但是在追蹤過程中速度過慢而損失功率；取大步長雖然可以增加追蹤速度，但是在最大功率點又會引起較大振蕩。另外一大缺點就是當外部環境發生迅速變化時，跟蹤算法會發生錯誤判斷而遠離最大功率點，所以為了提高跟蹤速度同時減小在最大功率點的振蕩及誤斷，改進常規的振動觀察法成為必要。

2.2 改進的擾動觀察法

正是因為擾動觀察法在光照條件劇烈變化時存在振蕩，以及跟蹤步長對跟蹤速度精度的影響，當采用定步長時，當步長越大，跟蹤速度越快，但在最大功率點附近波動幅度較大，功率損失也越大，反之步長越小，系統在最大功率點附近振蕩的幅度越小，功率損失越小，但達到最大功率點所用的跟蹤時間也越長。為了保障光伏系統最大功率點跟蹤的速度和精度，本文采用了自適應變步長振動觀察法，將步長設定在一定范圍內變化，防止步長過大而超出范圍，使得算法失效。圖3為改進的擾動觀察法流程圖。

圖3 改進的擾動觀察法流程圖

電壓擾動表達式可以表示為：

雖然變步長的引入在一定程度上可以減少系統在最大功率點的振蕩，但是在外界環境發生劇烈變化，系統誤斷現象沒有很好地有效解決。因此在擾動觀察法的基礎上，在擾動的相反方向增加一測量點進行雙向擾動比較，可以有效減少誤斷。具體算法如圖3所示，其中

本文將DC/DC變換器的占空比作為擾動對象，通過公式(2)得出擾動步長和擾動電壓，再通過PI算法得出相應的控制占空比，直接控制變換器，這樣簡化了算法的控制難度，減小了光伏充電器的變換器設計難度，也使得擾動過程更加平穩。

3 仿真與實驗結果

為了驗證改進方法的有效性，分別在Matlab/Simulink仿真平臺和一臺BUCK型DC/DC光伏充電器上進行了單峰系統最大功率跟蹤仿真與實驗。光伏仿真參數設置為：開路電壓=110 V，短路電流=6 A，工作時電壓=91 V，電流= 4.98 A。仿真結果如圖4所示(紅色為電流波形，綠色為電壓波形，藍色為功率波形)，從圖中可以看出，系統經過略微的擾蕩后到達最大功率點并穩定工作。

圖4 改進的擾動觀察法仿真波形

實驗平臺如圖5所示的光伏充電器，它是基于STM32的BUCK型DC/DC充電器。圖6為實驗結果。從圖中可以看出，系統經過幾次的擾動即快速達到最大功率點，且輸出電壓功率很平穩，達到預期的目的。

圖5 光伏充電器

4 結論

本文首先分析了光伏電池的輸出特性以及應用最廣泛的擾動觀察法，提出了一種改進的自適應變步長的擾動法；然后在Matlab/Simulink仿真環境下進行了仿真，在光伏充電器上進行了實驗。仿真與實驗結果表明，該方法在繼承了擾動觀察法的優點的基礎上，對最大功率跟蹤還具有速度快、效率高、穩定性好的優點。在進一步的研究中，將對在陰影及惡劣條件下，光伏陣列出現多峰情況時，對算法采樣及步長進行優化，以提高算法的通用性。

圖6 改進的擾動觀察法實驗波形

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Application in MPPT of photovoltaic power generation based on improved perturbation and observation method

PV cells was nonlinear and it was time-varying under changing solar irradiance and ambient temperature.Therefore the MPPT techniques should be invented in PV systems in order to maximize the output power of PV systems.In recent years,there were a lot of MPPT methods reported in the literatures,among them,the perturb and observe method and incremental conductance method were very commonly used in PV systems.Amodified algorithm with variable step size based upon the Perturb and Observe(P&O)method was proposed.The utilization of PV panel with rapid and accurate MPPT track were improved.The oscillations around the MPP were eliminated.Both simulations and experimental results show its effectiveness.

photovoltaic power generation;maximum power point tracking(MPPT);perturb and observe(P&O); photovoltaic(PV)array;variable step size;PID control

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0614-03

2015-08-02

陳令軍(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為光伏發電。

戴瑜興，E-mail:daiyx@hnu.edu.cn,daiyx@wzu.edu.cn