基于擾動觀察法的雙極式光伏逆變器MPPT優化策略

王宇坤，陳沃源

（江門職業技術學院 廣東 江門 529090）

1 引言

由于環境污染日益嚴重，太陽能作為一種綠色可再生能源得到了各國大力發展，隨著光伏發電不斷降低成本、提高效率，太陽能光伏發電成為新能源利用的主流之一。太陽能光伏發電系統的工作原理比較簡單，PV方陣受太陽輻射，將太陽能直接轉換為直流形式的電能，方陣的輸出接至匯流箱，匯流箱輸出端接至逆變器，通過MPPT算法控制匯流箱，通過逆變器實現直流電轉換成交流電，經過變壓器輸送到電網中，有很多MPPT算法比如擾動觀察、固定電壓法、電導增量法及相關方法的改進方法。在本文中提出一種基于擾動觀察法的改進方法，算法應用于DC/DC升壓變流器，根據P-V曲線斜率改變的DC/DC變流器占空比步長，DC/DC變流器輸出與逆變器母線相連，使用MATLAB/Simulin驗證算法的有效性。

2 光伏電池板數學模型介紹

圖1 pv等效模型

圖3 系統仿真框圖

本文采用就簡單的光伏電池單元模型如圖1所示，采用一個電流并聯一個二極管的形式，圖1中Iph為光電流（A）；Io為反向飽和電流（A）；RS為串聯電阻（Ω）；Rsh為并聯電阻（Ω）。根據光伏電池板模型可以得到電池輸出電流表達式（1）,實際使用的電池由多個光伏電池單元組成，設完整的單片光伏電池板由NS*NP個光伏電池單元構成，根據單塊電池板的組成可以計算出單塊電池板的輸出端電壓和輸出電流分別為式（2）-（4）。

上述公式為單塊電池板相關數學表達式，而光伏電站單臺發電設備是由多塊電池板串并再一起使用，介紹MPPT算法時，以單塊光伏電池為例說明，但由于光伏電廠單臺逆變器上所接的所有光伏電池可理解為一塊由（MS*NS*NPMP）個光伏電池單元組成的一塊光伏電池板，此時電池板的特性完全一致。

3 算法介紹

根據圖2光伏電池P-V曲線可知，可以根據P-V的斜率判斷出此時光伏電池板是否工作在最功率點，相關判據如下所示，其中P代表光伏電池輸出功率，V代表最大功率點電壓，ΔP代表功率的變化量，ΔV電壓得變化量。當ΔP/ΔV＞0時，通過控制DC/DC變流器將PV工作電壓升高；當ΔP/ΔV＜0時，通過控制DC/DC變流器將PV工作電壓降低；當ΔP/ΔV=0時，說明以找到MPP，維持當前工作電壓。

由于DC/DC變換器輸入輸出電壓滿足式5的關系式，所以調節PV工作電壓實際上控制占空比D，控制邏輯關系如表1所示。

圖2 p-v 曲線

表1 占空比控制邏輯跳

實現控制占空比的方法有兩種，一種是一固定步長的方法改變DC/DC變流器的占空比，這種方法實現簡單，但由于步長固定，固定步長無法滿足各種環境要求，造成跟蹤精度低，發電量低，另一種是變步長的方法改變DC/DC變流器的占空比，本文提出一種新的變不長的方法，根據ΔP/ΔV的大小選擇每次D改變的大小，根據ΔP/ΔV的符號選擇改變D的方向。當ΔP/ΔV＞0.1時，D減小的步長為,K為調整系數本文中取1.2，當ΔP/ΔV＜-0.1,D增加的步長為當0＜ΔP/ΔV＜0.1時，D減小的步長為0.1%占空比，當-0.1＜ΔP/ΔV＜0時，D增大的步長為0.1%占空比，占空比變化步長ΔD計算公式如等式6所示。

圖4 仿真結果

4 算法仿真

采用Matlab/Simulink對最大輸出100千瓦的兩極式逆變器進行仿真，仿真模型主要包括最大輸出100kW的光伏陣列、DC_DC逆變器、三相逆變器組成系統仿真圖如圖3所示。根據上述MPPT控制算法原理，DC_DC變換器通過本文提出的MPPT控制算法控制PV陣列輸出電壓，同時三相逆變器采用電壓電流雙閉環控制實現穩定母線電壓Cdc的目的，系統正常運行輸出波形如圖4所示，其中包括PV輸出平均功率Pmean、MPPT電壓即DC_DC變流器輸入電壓Vmpp。

為驗證所提算法有效性，分別改變光照強度和環境溫度，觀察輸出功率和Pv輸出電壓的變化，圖4a為分別改變在不同時刻將光照強度從1000降低到250，溫度由25℃升高到45℃然后降低到0℃，觀察光伏輸出功率和電壓滿足理論所示的變化趨勢，從而證明算法有效跟蹤最大功率點。

5 結論

本文提出基于擾動觀察法的雙極式光伏逆變器MPPT優化策略，并通過仿真實驗驗證，證明該改進算法可找到最大功率點（MPP）電壓變化方向，根據光伏電池PV特性曲線的斜率取值來確定跟蹤最大功率點電壓改變電壓步長，根據當前步長的變化快速查找功率最大點。最終達到快速、準確的查找光伏電池板最大功率點的目的。

[1] Henry Shu-Hung Chung,K.K.Ron Hui,C.M. Mok,M.T. Ho,“A novel Maximum Power Point Tracking Tecnique for Solar Panels Using a SEPIC or Cuk Converter”,IEEE Transactions on Power Electronics,Vol.18,No.3, May 2003.

[2] Toshihiko Noguchi,Shigenori Togashi,Ryo Nakamoto,“Short-Current Pulse Based Maximum-Power-Point Tracking Method for Multiple Photovoltaic and Converter Module System”IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol.49,No.1,February 2002.