光伏發電MPPT恒壓跟蹤法優化研究

李正 馬航

摘 要：在太陽能光伏發電中，實現高效的最大功率輸出是重要的研究方向。本文主要對恒壓跟蹤法進行優化，在光伏發電板溫度變化時，使恒壓跟蹤能相對精確地隨溫度實現變壓跟蹤，通過在PSIM上建立仿真模型進行分析驗證。該方法具有較好的功率輸出，控制及實現起來簡單，所以它在具體的光伏發電工程中有很高的實用性。

關鍵詞：恒壓跟蹤法;MPPT;PSIM仿真

中圖分類號：TM615文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）29-0130-03

Absrtuct： In solar photovoltaic power generation， achieving high-efficiency maximum power output is an important research direction. This paper mainly optimized the constant voltage tracking method， which enabled constant voltage tracking to achieve variable voltage tracking with temperature relatively accurately when the temperature of the photovoltaic power generation panel changed， the simulation model was established on PSIM for analysis and verification. This method has good power output and is simple to control and implement， so it has high practicability in specific photovoltaic power generation projects.

Keywords： constant pressure tracking method;MPPT;PSIM simulation

在快速發展的今天，不可再生能源越來越匱乏，國家大力提倡發展可再生資源，而太陽能資源開發和利用是未來發展的主要趨勢之一[1-2]。光伏發電是將太陽能轉換為電能，對于我國廣闊的西北地區及偏遠落后的地方來說，微電網可以很好地解決用戶的用電問題，然而光伏發電的轉換效率低，所以該發電系統的最大功率跟蹤點是一個研究重點。目前，MPPT跟蹤主要有恒壓跟蹤法、擾動觀測法和電導增量法等。它們都會或多或少地存在缺陷，本文主要對恒壓跟蹤法進行優化，使其能夠較好地滿足跟蹤要求。

1 外界因素對光伏發電輸出特性的影響

太陽能發電受到外界環境的影響，使得實際應用中輸出的電能是變化的，影響該變化的因素有光照強度、外界溫度及濕度等。其中，主要影響因素是光照強度與溫度。

光伏發電板表面溫度一定時，隨著光照強度增加，開路電壓與開路電流增加，輸出最大功率也增大。當溫度與光照強度都不變時，輸出功率隨著電壓的增大而增大，直到達到最大輸出功率后，再增加電壓，輸出功率開始下降。在光照強度一定時，隨著溫度的變化，短路電流變化不明顯，開路電壓隨著溫度的增加開始下降，最大輸出功率也開始下降。

2 MPPT的跟蹤方法

目前，在光伏發電中，最大輸出功率跟蹤法主要有恒壓跟蹤法、擾動觀測法、電導增量法等，根據各自的優缺點，其分別應用在不同的工程領域。

2.1 恒壓跟蹤法

在MPPT算法中，恒壓跟蹤法是最簡單的一種跟蹤方法，在設定好合理的電壓參考點后可以快速地達到最大輸出功率點[3]，在對控制要求不高的系統中有著廣泛的應用。恒壓跟蹤法也有著很大的缺點，溫度變化時，其最大輸出功率對應的電壓是不斷變化的，即開路電壓的輸出會隨著溫度的改變而改變，導致輸出功率誤差變大[4]。

2.2 擾動觀測法

擾動觀測法又稱爬山法，在設定的采樣時間里采集輸出的電壓和電流的值，根據式（1）計算擾動前后的輸出功率，比較擾動前后的輸出功率，同時觀測其功率的大小與方向的變化情況，不斷施加擾動直到輸出功率到達最大輸出功率附近[5]。然而，擾動觀測法在選定步長時比較困難。

式中，P為輸出功率，W;U為輸出電壓，V;I為輸出電流，A。

2.3 電導增量法

在MPPT跟蹤算法中，增量電導法也是常用的一種方法，其原理是在最大功率點時太陽能電池的輸出功率對輸出電壓的微分為0，此時可以得出式（1）。

同時從式（1）兩端對U求導，可得：

當dP/dU>0時，U小于最大功率點電壓Umax;當dP/dU<0時，U大于最大功率點電壓Umax;當dP/dU=0，U等于最大功率點電壓Umax。

找到dP/dU=0的工作點，其為輸出最大功率點[6]。電導增量法比擾動觀測法的精度更高，但是這種控制算法實現起來比較復雜，同時電導增量法對硬件的要求也很高。

3 恒壓跟蹤法優化

由于恒壓跟蹤法控制簡單且易于實現，所以該算法一直被廣泛應用。為了使得該方法能夠更加準確地實現跟蹤的目的，本文提出在眾多光伏發電板發電的同時，抽取出很少的幾塊發電板，專門用來采集開路電壓。換句話說，在廣闊的太陽能發電基地抽取合適的幾塊發電板，它們不是用來發電而是用來實時采集開路電壓，這幾塊板的開路電壓求和并取平均，即可得到每一塊的平均開路電壓。

3.1 恒壓跟蹤法原理

如圖1所示，在溫度一定時，不同的光照強度下，太陽能電池板輸出的最大功率點幾乎都在同一條垂直線的附件，這樣就可以把這條最大功率線近似看成電壓Um，該電壓Um與開路電壓滿足線性關系：

式中，Um為最大功率點電壓;k為系數，取值約為0.76;Uoc為光伏電池的開路電壓。

故而可以得到，當溫度不變時，不管光照強度是多少，選取的該恒壓參考點為0.76Uoc。

經過仿真測試，所選太陽能板的開路電壓為Uoc=22 V。恒壓跟蹤法所仿真的曲線結果如圖2所示，Uoc是定值，隨著溫度的改變，有仿真結果顯示該方法沒有很好地實現MPPT跟蹤。

3.2 優化恒壓跟蹤法的開路電壓

在具體的工程與實際應用中，一天的溫度是不斷變化的，所以開路電壓Uoc也隨著溫度而變化，因為恒壓跟蹤法的電壓是一個恒定值，這樣就導致跟蹤效率不高。但是，在同一片光伏發電場中，每塊發電板的溫度幾乎相同，本研究采取舍棄幾塊發電板的方法用來實時檢測其開路電壓Uoc，將其作為其他發電板在使用恒壓跟蹤法時的輸入開路電壓。隨著溫度的變化，Uoc跟著變化，Uoc也跟著變化，這樣可以很好地實現變壓跟蹤，極大地提高了輸出功率的利用率。

4 PSIM仿真及結構分析

本研究對恒壓跟蹤法的缺點進行優化，在PSIM軟件中建立仿真模型，同時進行仿真分析。該仿真選取3塊太陽能發電板，其中2塊進行發電，1塊作為實時采集的開路電壓為其中2塊提供可變的變壓跟蹤，通過可編程模塊C-block進行編程，實現最大功率點輸出與相對應的電壓輸出，編寫流程如圖3所示。PSIM軟件中建立的仿真模型如圖4所示。

由圖4可知，當溫度變化時，開路電壓跟著變化，使得恒壓跟蹤成為變壓跟蹤，不再受溫度的影響，其仿真曲線如圖5所示。由圖5可知，在外界溫度變化時，如果采用其中一塊發電板來實時檢測開路電壓，就能夠很好地實現MPPT跟蹤。

5 結論

本文利用PSIM軟件建立仿真模型，結果發現，在外界溫度變化時，如果采用其中一塊發電板來實時檢測開路電壓，就能夠很好地實現MPPT跟蹤。因此，規模較大的太陽能發電廠可以犧牲較少的幾塊發電板，更多地實現剩余太陽能板的最大功率輸出，此方法設計簡單，易于實現。

參考文獻：

[1]邢廣成，陳芳.太陽能光伏電池建模及仿真研究[J].船電技術，2019（2）：27-29.

[2]毛軍科，劉士榮，榮延澤，等.光伏燃料電池混合發電系統的建模及仿真[J].杭州電子科技大學學報，2011（6）：127-130.

[3]陳仁輝，胡治宇.基于限幅變壓跟蹤法光伏發電MPPT的研究[J].精密制造與自動化，2015（1）：18-20.

[4]陳云瑤，袁成清，和樹海.基于恒壓插值法的光伏發電系統最大功率跟蹤[J].船海工程，2013（1）：88-90.

[5]王汝田，施志明，文湘雲.基于恒壓估計與擾動觀測結合的MPPT算法[J].東北電力大學學報，2019（6）：24-29.

[6]盧超.一種改進型電導增量法MPPT控制策略仿真研究[J].信息技術，2019（3）：111-115.