基于占空比最優尋跡的光伏電池最大功率點跟蹤方法

何權港，高長偉，，郭京津，王 鑫

(1.遼寧科技學院電氣與信息工程學院，遼寧 本溪 117004；2.遼寧省機器人驅動控制工程實驗室，遼寧 本溪 117004)

太陽能具有清潔、無污染、儲量大、不受地域限制等諸多優勢，近年來，隨著光伏系統建設成本的逐漸降低及能量轉換效率的不斷提升，太陽能光伏發電已經成為清潔能源供能的主要方式之一[1-2]。在部分領域，太陽能光伏發電已經由補充能源轉變為替代能源[3-4]。然而，在光伏系統的實際工作過程中，其輸出功率容易受到外界環境條件的影響[5-7]。為了使光伏發電系統在外界環境條件發生變化時仍能保持較高的能量轉換效率，有必要對光伏電池的最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制技術進行深入研究。

目前常見的光伏MPPT控制方法主要可分為3類：第一類方法需要以光伏電池相關參數為依據[8]，主要包括恒定壓法、開路電壓法以及短路電流法等；第二類方法需要不斷對光伏電池的實時輸出進行檢測[9-10]，是目前應用最為廣泛的一類方法，主要包括擾動觀察法、電導增量法以及極值搜索法等；第三類方法為近年來興起的各種智能算法，這類方法主要以現代控制理論為基礎[11-12]。第一類方法原理簡單、容易實現，但是這類方法的實際控制效果易受外界環境條件的影響。第二類方法需要對光伏電池的實時輸出不斷進行檢測，雖然該類方法的實際控制效果不受外界環境條件的影響，但是在最大功率點附近會因參數限制而導致算法的跟蹤能力下降，并且在光伏電池的輸出功率接近最大功率時容易產生波動。第三類方法跟蹤速度快，在最大功率點附近時光伏電池輸出功率振蕩小，并且當外界環境條件突變時可起到避免誤判的作用，但是該類算法基本上都是針對某種具體的環境問題而專門設計的，其運算過程比較復雜。

針對目前廣泛應用的MPPT控制方法會因自身參數的限制而導致其跟蹤能力下降這一缺陷，本文提出了一種基于占空比最優尋跡的光伏電池最大功率點跟蹤方法。試驗結果表明，在光照強度發生改變時，運用該算法能夠快速準確地找到光伏電池的最大功率點。與傳統的擾動觀察法相比，本文所提控制方法能有效改善光伏系統的動態性能，系統穩定性明顯提高。

1 光伏電池等效電路與輸出特性

光伏電池可以將太陽輻射能轉變為電能，其基本工作原理類似于二極管，當受到光線照射時，光伏電池的輸出電流按指數規律隨電壓發生變化。實際工作過程中，可以將光伏電池看成恒流源，其等效電路如圖1所示。

圖1 光伏電池等效電路

圖1中，并聯等效電阻RP與串聯等效電阻Rs用來表示內部損耗，電容C為結電容，Iph表示光生電流，Id為流過二極管的電流，I與U分別為光伏電池的輸出電流和輸出電壓。當外界溫度恒定，光照強度不同時，光伏電池的功率輸出特性如圖2所示。

由圖2可得如下結論：

a.太陽能光伏電池的P-U特性呈現出明顯的非線性；

b.光伏電池輸出電壓逐漸升高時，其輸出功率呈現出先上升后下降的變化過程，該現象表明，在實際工作過程中，光伏電池具有某個輸出電壓值，在該值附近光伏電池的輸出功率達到其最大值。

圖2 光照強度不同時光伏電池的P-U特性

2 經典擾動觀察法基本原理

擾動觀察法簡單易行，是實際工程中應用較為廣泛的一種控制方法，其基本原理如圖3所示。

圖3 擾動觀察法基本原理

設初始時刻光伏電池的輸出功率為P1，下一時刻為光伏電池的輸出電壓設置一個增量，此時，光伏電池的輸出功率變成P2，由圖3可得P2>P1，這種現象表明當電壓升高時光伏電池輸出功率增大，要獲得最大輸出功率則應進一步升高輸出電壓。當光伏電池輸出功率為P4時，繼續升高輸出電壓，則光伏電池輸出功率變成P5，而P5

3 占空比最優尋跡的光伏MPPT控制

為了克服擾動觀察法上述缺陷，本文提出了一種基于占空比最優尋跡的光伏電池最大功率點跟蹤方法，結合圖4對所提控制策略的基本原理進行詳細闡述。如圖4所示，橫坐標為光伏DC/DC變換電路占空比，縱坐標為光伏電池輸出功率。

圖4 占空比最優尋跡方法基本原理

由圖4可見，如果光伏電池工作點位于特性曲線的上升段，則必然使得P(D2)P(D3)，說明最大功率點位于D3左側(即位于[D1,D3]區間范圍內)。由上述分析可見，只要對P(D2)與P(D3)的大小進行比較就可以縮小光伏電池最大功率點的搜索區間范圍。當算法進行下一輪搜索迭代時，只需在縮小搜索區間范圍內設置新的點就可以更進一步縮小實時搜索區間。在經歷了若干次迭代之后，搜索區間最終被縮小到系統所允許的誤差范圍之內，最后一次插入的點即可作為光伏電池的最大功率點。為了使算法具有良好的尋優速度，對于新插入的估值點D3的選取應該使得[D1,D3]與[D2,D4]的區間長度相等，即：

A+B=B+C

(1)

在滿足式(1)后，三點之間迭代區間長度比例相同，從而保證在每一輪的迭代中最優解的搜索區間都以理想的速度收斂。如圖4所示，首輪迭代區間[D1,D4]與次輪迭代區間[D1,D3]、[D2,D4]擁有同樣的區間間隔比例：

A/B=C/B=(B+C)/A=K

(2)

由式(1)、式(2)可得：

(3)

K為尋優比例，因此占空比最優尋跡法的收斂系數可進一步表示為式(4)(n為迭代次數)：

λ=Kn

(4)

如果最大功率點的搜索區間為[DⅠ,DⅡ]，則實際的迭代長度可表示為DⅡ-DⅠ。假如占空比DL從收索空間下限開始迭代，與其對應的系統輸出功率表示為PL，占空比DH從搜索空間上限開始迭代，與其對應的系統輸出功率表示為PH，則迭代變量的運算公式如式(5)、式(6)所示。

DL=DⅠ+ 0.382(DⅡ-DⅠ)

(5)

DH=DⅠ+ 0.618(DⅡ-DⅠ)

(6)

分別用DL、DH驅動光伏系統DC/DC環節中的相關電力電子開關器件，然后經信號采樣電路采集光伏電池的輸出電壓與輸出電流，利用采集到的電壓和電流就可以計算出太陽能光伏電池陣列實時輸出功率PL、PH。比較PL與PH大小，根據比較結果可以判斷出此時光伏電池最大功率點究竟位于哪個區間段內。如果PL>PH，則說明最大功率點必然位于[DⅠ,DH]區間段內。如果PL

圖5 占空比最優尋跡法流程

采用占空比最優尋跡法進行光伏電池最大功率點跟蹤時，每次迭代后占空比搜索區間將減小為上一輪迭代時的0.618倍，可見算法的收斂速度很快。由于在迭代過程中采用了兩個占空比，并且對其不停地進行調整，所以當實際運行點越靠近光伏電池的最大功率點時，兩個占空比DⅠ、DⅡ就越接近，這也就意味著越接近最大功率點占空比的調整幅度也相應越來越小，從而可以起到抑制輸出功率波動的效果，降低光伏電池在最大功率點附近的功率損耗。

4 試驗結果

搭建試驗平臺對本文所提出光伏電池MPPT控制策略在實際運行工況下的有效性進行試驗驗證，試驗平臺主要包括太陽能光伏電池板、DC/DC變換電路、控制器及功率可調負載等。光伏電池的參數為最大功率250 W、最大功率點電壓29.5 V、最大功率點電流8.47 A、開路電壓37 V、短路電流8.78 A。

圖6為運用本文所提出的占空比最優尋跡法與擾動觀察法所獲得的光伏電池在光照強度發生變化時輸出電流與輸出功率的變化情況。由圖6所示試驗結果可見，當光照強度發生變化時，運用本文所提出的占空比最優尋跡法所獲得的光伏電池輸出電流以及輸出功率在經過較短時間過渡過程后迅速趨于穩定，動態效果及工作穩定性均明顯優于擾動觀察法。

(a)光伏電池輸出電流

(b)光伏電池輸出功率圖6 試驗結果

5 結束語

本文提出了基于占空比最優尋跡法的光伏電池最大功率點跟蹤控制方法。試驗結果表明，與擾動觀察法相比，該控制方法具有較好的動態響應特性與穩態工作性能，能夠有效降低光伏電池在其最大功率點附近因輸出功率波動而引起的功率損耗，實現了較好的控制效果。