一種基于功率預(yù)測的光伏MPPT 算法研究

任 靜，劉 剛，孫 健，閆 銘

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000）

1 概述

太陽能電池的輸出特性是指太陽能電池在一定的溫度和日照強度下表現(xiàn)出來的伏安特性，太陽能電池只有工作在最大功率點時其輸出功率最大。MPPT 效率是決定光伏逆變器發(fā)電量的核心因素。目前國內(nèi)外光伏逆變器在相同的條件下發(fā)電量相差可能高達20%，導致這個差異主要原因在于MPPT 效率。MPPT 效率主要分為兩大類，即靜態(tài)MPPT 效率和動態(tài)MPPT 效率，靜態(tài)MPPT 效率描述了在穩(wěn)定環(huán)境因素情況下系統(tǒng)找到和保持最大功率點運行的性能；而動態(tài)MPPT 效率則描述了在輻照度和溫度等環(huán)境因素下系統(tǒng)跟蹤最大功率點的能力。

光伏逆變器各大廠商在靜態(tài)MPPT 追蹤算法的處理上都展現(xiàn)出了很高的水平，而逆變器實際的工作環(huán)境中，日照、溫度等外部條件是實時動態(tài)變化的，逆變器的動態(tài)MPPT 跟蹤效率成為了衡量其實際性能的關(guān)鍵指標。目前，最大功率點動態(tài)跟蹤方法主要有：基于優(yōu)化數(shù)學模型的MPPT 控制方法、基于擾動的自尋優(yōu)MPPT 控制方法、基于人工智能控制的MPPT 控制方法等。基于優(yōu)化數(shù)學模型的MPPT 控制方法不存在振蕩，但控制效果不佳；基于擾動的自尋優(yōu)MPPT 控制方法主可以實現(xiàn)真正的最大功率跟蹤，但是穩(wěn)態(tài)存在振蕩。基于人工智能和非線性控制的MPPT 控制方法控制效果比較好，但算法的移植性差，需要根據(jù)不同的系統(tǒng)分別進行設(shè)計和訓練。此外，上述算法程序設(shè)計復雜，對控制器處理能力要求較高。

三點法具有控制簡單、算法易實現(xiàn)的特點，被光伏逆變器各大廠商廣泛使用，但三點法對光照持續(xù)變化時的動態(tài)性能較差，發(fā)電效率低。本文在三點法的基礎(chǔ)上，提出一種基于功率預(yù)測的光伏MPPT 跟蹤算法，可以使光伏逆變器在溫度、光照等環(huán)境變化情況下快速跟蹤最大功率點，并通過試驗驗證。

2 最大功率跟蹤算法

圖1 為傳統(tǒng)三點MPPT 算法流程圖，該算法在光伏電池的P-V 特性曲線頂點附近從左到右依次取a、b、c三個點，根據(jù)三點功率斷判斷電壓變化方向。傳統(tǒng)三點算法控制簡單，易于實現(xiàn)，但算法設(shè)計中將系統(tǒng)工作電壓按照不變進行處理，只對ΔV 進行微調(diào)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)算法的平穩(wěn)跟蹤，但針對光照持續(xù)變化時的動態(tài)性能較差。

本文提出了一種基于功率預(yù)測策略的MPPT 算法，在三點法基礎(chǔ)上增加功率預(yù)測功能解決三點法效率低的問題。算法采集a、b、c 三點的電壓和電流，計算出三點的功率，通過判斷三點功率的大小來計算M 值。當M 等于2 時，向電壓增大的方向跟蹤；當M 等于-2 時，向電壓減小的方向跟蹤；若M 既不等于2 也不等于-2，則計算m點的功率值，通過比較m 點和c 點的功率大小來判斷跟蹤方向。當光照快速變化時，可以認為m 點與c 點落在同一光照曲線上，因此用本文提出的光伏最大功率點跟蹤算法可以消除光照變化的影響，并且可以取得較高的動態(tài)跟蹤效率。算法流程圖如圖2 所示。

圖1 傳統(tǒng)三點MPPT 算法流程圖

算法具體實現(xiàn)步驟：

步驟一：初始化電壓參考值（Ua、Ub、Uc）、ΔU 和 M；

步驟二：延時時間T，采樣電壓Ua，電流Ia，電壓參考值給定為（Ua+ΔU）；延時時間 T，采樣電壓 Ub，電流Ib，電壓參考值給定為（Ua-ΔU）；延時時間 T，采樣電壓Uc，電流 Ic；

步驟三：分別計算功率 Pa=Ua*Ia，Pb=Ub*Ib，Pc=Uc*Ic；

步驟四：判斷Pa 是否不小于Pb，若為真，則M 減一，反之M 加一；

步驟五：判斷Pa 是否不小于Pc，若為真，則M 加一，反之M 減一；

步驟六：判斷M 是否等于M+2，若為真，則ΔU=dU1，電壓參考值給定為Ub，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

圖2 改進MPPT 算法流程圖

步驟七：判斷M 是否等于M-2，若為真，則ΔU=dU1，電壓參考值給定為Uc，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟八：計算 Pm=（Pa+Pb）/2；

步驟九：判斷Pm 與Pc 的差是否大于ε，若為真，則ΔU=dU2，電壓參考值給定為Ub，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟十：判斷Pm 與Pc 的差是否小于-ε，若為真，則ΔU=dU2，電壓參考值給定為Uc，跳轉(zhuǎn)至步驟二；

步驟十一：ΔU=dU2，電壓參考值給定為Ua，跳轉(zhuǎn)至步驟二。

圖3 測試平臺接線圖

圖4 光照曲線

表1 光照變化10%～50%動態(tài)跟蹤效率

表2 光照變化30%～100%動態(tài)跟蹤效率

3 算法試驗驗證

為了驗證本算法的正確性，搭建了動態(tài)效率測試平臺，圖3 為測試平臺接線圖，測試平臺使用了光伏模擬源一臺，四通道示波器一臺，萬用表一個，差分探頭兩個，直流電流環(huán)一個，交流電流環(huán)一個，50kW 逆變器一臺，變壓器及配電設(shè)備一套。本文對傳統(tǒng)三點法和本文算法進行測試，主要測試動態(tài)跟蹤效率，其中圖4 為光照曲線。

本測試中，電壓參考值初始化為0.8 倍開路電壓，ΔU初始化為 4V，M 等于 0，延時時間 T 為 0.4s，dU1的值為4V，ε 取值為 0.02，dU2取值為 1.5V。輻照度變化參考 NB/T 32004-2013 附錄 K 中的圖 K.1 和圖 K.2，從表 K.3 和K.4 中各選取幾條曲線，對三點法和本文算法進行了測試，結(jié)果如表1 和表2。

從表1 和表2 測試可以看出，三點法跟蹤效率較高，而本文算法通過增加功率預(yù)測功能使跟蹤效率進一步提升，提高了逆變器的工作效率。

使用模擬源后臺軟件的數(shù)據(jù)記錄功能記錄了MPP電壓跟蹤情況，如圖5-圖7 所示。圖中曲線（A）代表最大功率點電壓理論值，曲線（B）代表實際電壓，圖5 為輻照度從100W/m2增加至500W/m2，步長1W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，圖6 為輻照度從100W/m2增加至500W/m2，步長5W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，圖7為輻照度從300W/m2增加至1000W/m2，步長14W/m2d 情況下的MPP 電壓跟蹤曲線，從三幅圖中可以看出，兩種曲線重合度較好，說明新算法有很好的動態(tài)跟蹤能力，本文提出的新算法能夠及時的追蹤到光照變壓，使逆變器始終工作在最大功率點處，將光伏系統(tǒng)發(fā)電量最大化。

圖5 100W/m2-500W/m2 步長1W/m2d 跟蹤曲線

圖6 100W/m2-500W/m2 步長5W/m2d 跟蹤曲線

圖7 300W/m2-1000W/m2 步長14W/m2d 跟蹤曲線

4 結(jié)論

本文針對逆變器實際的工作環(huán)境日照、溫度等外部條件實時動態(tài)變化時動態(tài)跟蹤效率低的問題，提出一種基于功率預(yù)測的MPPT 跟蹤算法，該算法能夠解決光照變化的影響，快速、精確地達到最大功率點，使逆變器始終工作在最大功率點處，并搭建測試平臺，驗證了所提算法的正確性。該算法實現(xiàn)簡單，且可靠性高，已在許繼供貨逆變器產(chǎn)品上大規(guī)模推廣使用。