基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法研究

李 昱，黃漢生，巫 卿，王 瑾，楊 陽，俞 雷，胡 琴

（1．中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽550000；2．廣東電網有限責任公司肇慶供電局，廣東 肇慶526040）

0 引 言

太陽能是一種極為豐富的可再生能源，光伏發電則是收集太陽能的主要方式。而光伏發電輸出功率受光照強度、環境溫度和輸出電壓共同影響，某一時刻只存在一個最大功率點（Maximum Power Point，MPP），因此如何快速和準確地找到該功率最大點對提升光伏發電輸出效率至關重要［1］。

當前，定時（電壓或電流）掃描法雖能準確定位功率最大點，但計算時間長；定（電壓或電流）填充系數法較為簡單，但輸出功率不連續，只能得到MPP的近似值；擾動觀察法的計算精度和速度取決于初始值和跟蹤步長的大小；電導增量法，該法中｜dP／dU｜＝ε的閥值過大時會造成精度不足，過小時將產生振蕩的問題［3］。

本文在傳統擾動觀察法基礎上，提出一種基于功率增量變化百分比為控制因素的變步長功率追蹤方法。

1 光伏電池模型及主要輸出特性

光伏電池模型如圖1所示。其中Iph為光伏電池生成電流；Rj為PN結阻抗（非線性），Dj為PN結二極管，Rsh和Rs可忽略不計，Ro是負荷電阻，I為光伏電池的輸出電流，U為光伏電池的輸出電壓。

針對圖1所示的光伏電池模型，其輸出特性為：和電流，表達式為：

式中，np為光伏電池模塊的并聯數量；ns為光伏電池模塊的串聯數量；q為電荷量（×10－19C）；k是波爾茲曼常數（1．38×10－23J／K）；T 為溫度（光伏電池絕對溫度）；A是光伏電池理想因數（A＝1～5）；Isat為反向飽

式中，Tr為光伏電池參考溫度；Irr為光伏電池溫度為Tr時所產生的反向飽和電流；而EGap為半導體材料在跨越能帶間隙時所需要吸收的能量（硅的EGap≈1．1 eV）。光伏電池所產生電流Iph的大小，由太陽照度和大氣溫度兩個因素決定：

式中，Isso為光伏電池在參考溫度和日照條件（100 MW／cm2）下所測得的短路電流值，Ki表示短路電流溫度系數，Si為日照強度（MW／cm2）。則其輸出功率P：

由以上式子可得到光伏發電P－U、U－I特性曲線，進而獲得MPP。

圖1 光伏電池模型

2 基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法

在傳統擾動觀察法中，反復擾動和判斷就有可能導致在最大功率左右不停的振蕩，而運用電導增量法又存在閾值過小，在一定范圍內會發生振蕩［4］。因此可綜合以上兩方面影響，將功率增量變化百分比｜Pk－Pk－1｜÷（｜Pk－Pk－1｜＋λ）作為控制變量，其中λ為控制最大功率追蹤速度因子（λ＞0）。可以看出，變步長功率追蹤法隨著與最大功率點的距離越近，所取步長越小；反之，與最大功率點的距離越遠，所取步長越大。當｜dp／dU｜＜ε（ε為功率追蹤要求的精度）時，功率追蹤結束。由于存在步長隨著功率增量變化這一機制，因此可以保證功率追蹤一直向MPP點快速而又穩定的靠近，在滿足精度要求下，功率追蹤即可結束。

取功率追蹤始發點為U0＝Uoc×0．8，初始步長為5%Uoc，｜dp／dU｜→0時追蹤結束，改進步長流程圖如圖2表示。

圖2 變步長功率追蹤流程圖

3 基于STP180s－24／Ac型太陽能組件的算例分析

為驗證基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法的準確性，以無錫尚德公司生產的STP180s－24／Ac型太陽能組件作為研究對象進行仿真實驗，其技術參數如表1所示。

表1 STP180s－24／Ac型太陽能電池板技術參數

基于式（1）～式（4），采用 Matlab／Simulink仿真軟件建立了該電池的數學模型，其光伏陣列特性曲線如圖3所示。

圖3 電池特性曲線

在仿真中設置環境溫度為25℃。采用傳統擾動觀察法，設置固定仿真步長為0．01 s和0．5 s，運行時間為6 s。光照強度由600 W／m2上升到1 000 W／m2，仿真結果分別如圖4所示。運用基于功率增量變化百分比的變步長功率追蹤方法，控制速度因子λ＝2，控制精度為ε＝0．001，得到的仿真波形如圖5所示。

圖4 固定步長仿真波形

圖5 變步長仿真波形

由以上兩圖可以看出：固定步長時，若步長較大，則追蹤速度比步長小時快0．3 s，追蹤過程中穩定性較好，但在最大點出現±1 W的振蕩；若步長較小，則追蹤速度較慢，追蹤過程中穩定性較差，但達到穩定后只出現±0．5 W的振蕩。而變步長時，不僅追蹤速度快（幾乎為0s），追蹤過程中穩定性較好，而且達到穩定后振蕩的幅度只有±0．3 W。

4 結 論

本文在傳統擾動觀察法的基礎上，提出了以功率增量變化百分比為控制變量的功率追蹤方法。該方法速度快，幾乎為0s就可以響應，而且震蕩幅值低，只有±0．3 W。