基于變步長擾動觀察法的光伏電池最大功率點跟蹤研究

李 卿，楊國華，唐 浩，王鵬珍

（寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021）

基于變步長擾動觀察法的光伏電池最大功率點跟蹤研究

李 卿，楊國華，唐 浩，王鵬珍

（寧夏大學電氣工程與自動化系，寧夏銀川750021）

太陽能是國際公認的理想替代能源，開發利用太陽能是解決當前能源危機的一條重要途徑。分析了光伏電池的數學模型及其相關參數，通過光伏電池在不同條件下的輸出特性曲線研究光照的輻射強度和環境溫度對太陽能電池的影響，提出了基于變步長擾動觀察法的光伏電池最大功率點跟蹤（MPPT）算法，并進行了Matlab／Simulink仿真研究，仿真結果表明基于變步長的擾動觀察法能夠對環境的突變做出迅速響應，具有更高的動態性能和穩定性，具有較好的實用價值。

光伏特性；變步長；最大功率點跟蹤；Simulink仿真

1 引言

太陽能作為具有廣闊前景的清潔能源近年來備受矚目，學者對太陽能的研究也有了突破性的進展。然而，太陽能發電受外部環境因素影響較大，難以達到穩定的發電狀態。因此，為實現發電功率最大化，通常采用最大功率點跟蹤技術（MPPT）［2］。

2 研究現狀

目前，MPPT常用的算法有恒定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等。恒定電壓法控制簡單，易于實現，初期投入少，系統工作電壓具有良好的穩定性，但跟蹤精度差。電導增量法能夠迅速地跟蹤光強快速變化所引起的最大功率點的變化，控制效果好，穩定度高；但其控制算法較復雜，對控制系統的性能和傳感器精度的要求較高，硬件難以實現。擾動觀察法的跟蹤方法簡單，被測參數少，其對傳感器的精度要求不高，易于實現；但在日照強度急劇變化的情況下，其電壓所控制的參考信號值會發生突增或突降，使其性能變差，以致其對最大功率點的跟蹤速度和控制精度無法兼顧。

文獻［1］提出了一種改進型的最大功率點跟蹤算法。該算法綜合了擾動觀察法、二次插值法和恒壓法的優點，能夠有效避免采用擾動觀察法控制時電壓振蕩所造成的功率損失以及采用恒壓法控制時不能隨環境條件實時調整工作電壓的缺陷，但此算法錯綜復雜、計算量大。文獻［4］提出的擾動觀察法具有較強的適應性，跟蹤響應速度快，但在最大功率點附近的穩定性還存在一定不足。文獻［5］給出的方法能夠提高最大功率點的穩定性，能夠減少能量損失，但其跟蹤速度有待提高。為了解決常規定步長擾動觀察法的跟蹤速度與穩態精度之間的矛盾，本文提出了一種簡潔的定電壓啟動的自適應變步長擾動算法，并在Matlab／Simulink中進行實驗仿真來驗證其對最大功率點的改善情況。

3 變步長擾動觀察法的原理

本文通過對擾動觀察法局限性的研究，提出一種改變擾動占空比的方法來提高MPPT的效率。變步長擾動觀察法示意圖如圖1所示。假設開機后追蹤到的P－V曲線符合曲線1特征。常規情況下最大功率點的電壓Umppt一般為Uoc的0.76倍，所以電壓以Uoc為標準值，并逐漸向最大功率點處靠近，與此同時，啟動變步長擾動觀察法對電壓和功率進行控制。測試時，當跟蹤值距離最大功率點處較遠時，一般采用較長的步長進行擾動，當跟蹤值距離最大功率點處較近時，一般采用較短的步長進行擾動。

圖1 變步長擾動觀察法示意圖

3.1 光伏等效電路

光伏電池的等效電路對于光伏電池的特性研究具有重要意義。根據相關文獻建立光伏電池的仿真模型，并給出光伏電池單元的等效電路拓撲結構如圖2所示。

圖2 光伏電池拓撲結構

圖2中忽略了并聯電阻Rsh支路，由KCL得到光伏電池輸出電流I為：

式中，V為光伏電池輸出電壓，I為光伏電池輸出電流，IL為光伏電池短路電流，Id為二極管電流，RS為光電池等效串聯電阻，T為光電池溫度，q為庫侖常數（q＝1.6×10－19C）。

根據光伏組件特性，可以求出短路電流IS和開路電壓Vac。設定Im和Vm分別表示最大功率點處的峰值電流和最大功率點對應的峰值電壓，則：

其中C1和C2分別為：

光伏系統中必須考慮太陽的入射角、光照強度及溫度變化等，dI和dU分別表示電流和電壓的修正量。通過上面各式可推演出在當前實測環境下太陽能組件中的電壓與電流之間的關系式如下：

其中修正量為：

式中，ε＝1.12eV，Imref和 Vmref分別表示參考條件下光伏組件最大功率點處的電壓和電流，Iscref為給定條件下光伏組件的短路電流，μVoc和μIsc分別為給定條件下的溫度系數。

3.2 光伏組件特性分析

組件特性主要是指V－I特性曲線和P－V曲線。V－I電壓電流曲線能夠直觀地反映出在一定的外部條件下光伏電池的輸出電流與輸出電壓的關系，PV輸出功率與電壓曲線能夠直觀地反映出在上述相同外部條件下光伏電池組件的輸出功率與輸出電壓之間的關系。

在一定條件下，取Im＝13.88A，Vm＝288V，Voc＝354V，Isc＝14.88A，Sref＝1000W／m2，Tref＝25℃，a＝0.0025A／℃，b＝0.0028V／℃，RS＝0.5Ω。可得此時光伏電池 V－I曲線和P－V曲線分別如圖3和圖4所示。

圖3 光伏電池V－I曲線

圖4 光伏電池P－V曲線

4 系統的建模與仿真

在Matlab／Simulink軟件上搭建仿真模型，采用擾動觀察法研究最大功率點的追蹤控制。模型組建框圖如圖5所示。

圖5 仿真模型組建框圖

5 Boost電路

光伏電池最大功率點跟蹤控制的原理是根據改變負載等效阻抗值使之與光伏電池的內阻相匹配，最終實現跟蹤控制［6］。采用Boost升壓電路可實現該功能。本文建立了以變步長擾動觀測法為理論基礎的最大功率點跟蹤控制仿真系統。MPPT控制模塊的輸入端分別為光伏電池的輸出電壓和輸出電流，其輸出端為控制Boost升壓電路中功率開關器件的脈沖信號。仿真波形圖如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 光伏MPPT電流波形

圖7 光伏MPPT電壓波形

圖8 Boost電路輸出最大功率點功率波形

在仿真研究中，設光伏電池開路電壓為43V，短路電流為4.5V。當光伏電池的最大功率達到45W時，對應的電壓為18V。設置初始值Δd＝2V，功率震蕩介于3W至5W時設置Δd＝3V，功率振蕩小于1W時設置Δd＝1V。

由仿真波形圖可以看出，系統在啟動時電壓、電流、功率普遍有較大波動，光伏電池步長設置值較大，與最大功率點處的電壓偏離較遠，所以導致功率值不穩定。然后，系統根據控制策略的設定調整步長，并自適應反饋調節接近于最大功率點處，同時Δd逐漸減小，直到保持一個穩定值工作在最大功率點處。由仿真波形圖可知，系統從開機到穩定在最大功率點處的時間為0.08秒。

6 結束語

本文提出的變步長擾動觀察法具有以下許多優點：在系統啟動過程中能夠通過采樣光伏電池開路電壓值作為初始設定值，充分發揮變步長法自身的特點，待系統啟動后能適應系統并不斷地調整步長以至于快速地追蹤到最大的功率點；在外界環境變化波動較大時，能夠選用大步長進行干擾跟蹤，能夠快速跟蹤到環境的變化，能夠大大提高系統的動態性能；系統捕捉到最大功率時，能夠靈活地采用很小的步長進行擾動，以減小功率的振蕩和損耗，并提高系統的跟蹤效率和穩定性。經Matlab／Simulink仿真表明，變步長擾動觀察法具有較好的動態性能和穩態性能，具有較好的應用價值。

［1］邱培春，葛寶明，畢大強.基于擾動觀察和二次插值的光伏發電最大功率跟蹤控制［J］.電力系統保護與控制，2011，（4）：62－67.

［2］朱銘煉，李臣松，陳 新，龔春英.一種應用于光伏系統MPPT 的變步長擾動觀察法［J］.電力電子技術，2010，（1）：20－22.

［3］唐 俊，周海峰，王榮杰，葉曉軍.基于Matlab／Simulink的光伏電池輸出特性仿真研究［J］.應用能源技術，2015，（1）：1－5.

［4］謝玲玲，時 斌，馬在濤，華國玉.基于改進擾動觀察法的光伏電池最大功率跟蹤［J］.水電能源科學，2012，（10）：204－207.

［5］李 濤，霍修坤，張道忠，張 偉.改進擾動觀察法的光伏陣列最大功率點跟蹤算法［J］.微型機與應用，2013，（10）：73－76.

［6］劉 宇，孫國凱，葛廷友.基于改進的擾動觀察光伏發電MPPT控制方法的仿真研究［J］.中國農機化學報，2015，（6）：286－290.

Research on maximum power point tracking of photovoltaic cells based on variable step perturbation observation method

LI Qing，YANG Guo－hua，TANG Hao，WANG Peng－zhen
（Department of Electrical Engineering and Automation，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The solar energy is an internationally－recognized ideal alternative energy source.It is an important way that solving the current energy crisis by developing and utilizing the solar energy.The mathematical models and relevant parameters of the photovoltaic cells are analyzed.From the output characteristic curve of the photovoltaic cell under different conditions，the influence of the radiation intensity and the environmental temperature on solar cell is studied.The variable step perturbation observation method is proposed to study the maximum power point tracking （MPPT）algorithm foe photovoltaic cells.The Matlab ／Simulink simulative experiments show that the step perturbation observation method enables the system of good dynamic performance，well stability and rapid response to the environmental change，and it has good application value.

photovoltaic characteristics；variable step；maximum power point tracking；Simulink simulation

TM615

A

李 卿（1993－），男，寧夏中寧人，在讀研究生，主要研究方向為電工電子新技術。

楊國華（1972－），男，寧夏中衛人，教授，碩士生導師，主要研究方向為電工電子新技術。

唐 浩（1990－），男，寧夏中衛人，在讀研究生，主要研究方向為電工電子新技術。

王鵬珍（1992－），女，甘肅白銀人，在讀研究生，主要研究方向為電工電子新技術。

2016－11－21

1005—7277（2017）02—0008—04