光伏系統(tǒng)功率擾動改進(jìn)型MPPT算法研究

楊建勛

(無錫高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司，江蘇無錫 214000)

光伏系統(tǒng)功率擾動改進(jìn)型MPPT算法研究

楊建勛

(無錫高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展股份有限公司，江蘇無錫 214000)

根據(jù)光伏電池的特性及影響光伏電池輸出功率的主要因素，在比較了常用最大功率跟蹤算法的恒定電壓法和功率擾動法的原理及優(yōu)缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)型功率擾動最大功率跟蹤算法。以求克服傳統(tǒng)算法中定步長跟蹤帶來的無法快速跟蹤光照突變，變步長算法中突變初期的擾動過大的問題，并對其有效性進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。

光伏電池;輸出特性;最大功率跟蹤(MPPT);功率擾動法

光伏電池在工作時(shí)，隨著日照強(qiáng)度、環(huán)境溫度的不同，其端電壓將發(fā)生變化，輸出功率也產(chǎn)生很大的變化，故光伏電池本身是一種極不穩(wěn)定的電源。光伏電池本身的光電轉(zhuǎn)換效率不高，如何能在不同日照、不同溫度下輸出盡可能多的電能，提高系統(tǒng)的效率，有必要對光伏系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行跟蹤控制，即實(shí)行最大功率跟蹤(馮垛生，2009)。

1 光伏電池特性分析

1.1 光伏電池的等值電路模型

最典型的光伏電池的等值電路如圖1所示，電池產(chǎn)生的光電流IPH，并聯(lián)一個二極管，流過此二極管的電流為暗電流ID，電池的分路電阻RSH，補(bǔ)償由于內(nèi)部的PN結(jié)缺陷造成的漏電流ISH，其方向與IPH相反。再加串聯(lián)電阻RS。負(fù)載電阻RL上流過電流為IL，一般RS小于1歐，Rsh為幾千歐。

1.2 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

用公式表示的光伏電池發(fā)電狀態(tài)的電流方程式為:

式中IPH為光電流，ID為PN結(jié)的正向電流;ISH為PN結(jié)的漏電流。

用公式表示的光伏電流發(fā)電狀態(tài)的電壓方程式:

圖1 光伏電池的等值電路Fig.1 The equivalent circuit of PV cells

式中UJ為PN結(jié)合部端電壓;UL為負(fù)載RL兩端電壓，IL為負(fù)載電流。

式中A為與PN結(jié)材料特性有關(guān)的系數(shù);B為與PN結(jié)材料特性有關(guān)的系數(shù);k為波爾茲曼常數(shù);T為絕對溫度;RSH為考慮PN結(jié)缺陷的分路電阻;q為電荷電量(1.602×10－19C)。

1.3 光伏電池的輸出特性分析

光伏電池的輸出特性受到很多因素的影響，其中最主要的因素是日照強(qiáng)度E和溫度T。

日照強(qiáng)度E對伏安特性的影響見圖2，只要太陽光譜、組件溫度不變，最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的電壓值基本上在某一固定值附近，如圖2(b)中最大功率點(diǎn)電壓值近38 V位置左右。

工作溫度T對光伏電池組件伏安特性的影響見圖3，由于溫度升高，將使電流、電壓的額定值略有變化，最大功率點(diǎn)也電壓了隨溫度變化而變化。由圖3(b)中可看出，溫度在較大的范圍內(nèi)變化時(shí)，最大功率的變化相對日照強(qiáng)度而言變化較小，最大功率點(diǎn)電壓的變化也不大。當(dāng)溫度由15℃升到90℃時(shí)，最大功率由1 020 W左右降到900 W左右。

2 最大功率跟蹤算法

由上述P-U特性曲線可知，以最大功率點(diǎn)電壓為界，分為曲線的左、右兩側(cè)。當(dāng)光伏電池工作電壓大于最大功率點(diǎn)電壓UPMAX，即工作在最大功率點(diǎn)電壓右側(cè)時(shí)，電池輸出功率將隨電池輸出電壓的下降而增大;當(dāng)電池工作電壓小于最大功率點(diǎn)電壓UPMAX，即工作在最大功率點(diǎn)電壓左側(cè)時(shí)，電池輸出功率將隨電池輸出電壓的下降而減小;最大功率跟蹤(MPPT)即通過控制光伏電池端電壓，使電池能在各種不同的日照和溫度環(huán)境下均輸出最大功率。

目前在光伏系統(tǒng)中最常見的最大功率跟蹤算法有:恒定電壓法(CVR)、擾動觀察法、增量電導(dǎo)法、滯環(huán)比較法、模糊控制法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。每種方法都有各自的特點(diǎn)及不足之處，前幾種實(shí)現(xiàn)較容易但控制精度不高，而后幾種成本較高。本文所采用的功率擾動改進(jìn)型是結(jié)合恒定電壓法與擾動觀察法的優(yōu)點(diǎn)，從成本考慮的一種較實(shí)用的方法。

2.1 恒定電壓法(CVR)

由于影響光伏電池最大輸出功率的主要因素是日照強(qiáng)度與溫度。從圖3(b)可看出，溫度15℃～90℃，對應(yīng)最大功率的變化約100 W左右，而溫度在短時(shí)間內(nèi)是不可能如此劇烈變化的。當(dāng)溫度由幾度變化到十幾度時(shí)，對應(yīng)最大功率的變化量非常小。而從圖2(b)中可以看出，日照強(qiáng)度變化對最大功率的影響較大，而日照強(qiáng)度有可能短時(shí)間劇烈變化，不同日照強(qiáng)度時(shí)的最大功率點(diǎn)處的電壓值基本在某一固定值附近。這樣，只須保持輸出電壓為某一固定值不變，就基本上可使光伏電池在最大功率點(diǎn)附近工作了。這種方法稱為恒定電壓法。然而，事實(shí)上最大功率點(diǎn)電壓UPMAX并非為一定值，所以此法存在一定的誤差。

2.2 擾動觀測法

基本原理是先給一個擾動輸出電壓信號(+δU)，再測量其功率變化，與擾動之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動方向正確，可繼續(xù)向同一方向擾動(+δU);若擾動后的功率值小于擾動前，則往反方向擾動(－δU)。此方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，測量參數(shù)少，通過不斷擾動使輸出功率趨于最大;缺點(diǎn)在于初始值及跟蹤步長δU的選取對跟蹤精度和速度有較大影響。選擇步長太大雖能快速接近最大功率點(diǎn)，但可能導(dǎo)致引入擾動輸出功率在最大功率點(diǎn)附近來回振蕩。選擇步長太小則接近最大功率點(diǎn)的時(shí)間較長。

2.3 改進(jìn)擾動法

擾動法存在最大的問題是擾動步長的確定，如何快速跟蹤最大功率點(diǎn)及在最大功率點(diǎn)附近來回振蕩的問題。許多學(xué)者提出了變步長的算法(張建坡等，2009;趙磊等，2009;張超等，2009;張晶，2009)，即對于P-U曲線的不同位置給出根據(jù)功率的變化量ΔP來確定不同的步長，當(dāng)ΔP較大時(shí)用大的步長，當(dāng)ΔP較小時(shí)用小步長來進(jìn)行擾動，這樣達(dá)到了當(dāng)工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)用大步長以達(dá)到快速接近最大功率點(diǎn)、當(dāng)工作點(diǎn)偏離最大功率點(diǎn)較近時(shí)用小步長以提高接近最大功率點(diǎn)精度的目的。這種算法較好地解決了定步長所存在的問題，但要求在控制中增加步長的計(jì)算模塊，增加了成本和計(jì)算時(shí)間。

前面討論了溫度的變化所帶來最大功率點(diǎn)的變化是在一個比較小的范圍內(nèi)的，可以采用定步長法(確定一個較小的δU)來實(shí)現(xiàn)。而從圖2(b)中可以看出，日照強(qiáng)度的變化對最大功率的影響較大，日照強(qiáng)度有可能短時(shí)間劇烈變化。不同日照強(qiáng)度的最大功率點(diǎn)處的電壓值基本保持不變。也就是說當(dāng)日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，雖然最大功率點(diǎn)發(fā)生較大的變化，但當(dāng)前的電壓值UPMAX與新的最大功率點(diǎn)的電壓值U'PMAX非常接近。如果在這位置保持電壓不變，則輸出功率將發(fā)生顯著的變化，如圖4中由PN變化到PN+1。如按張建坡等(2009)、趙磊等(2009)、張超等(2009)、張晶(2009)中所采用方法，功率變化量ΔP較大則需采用大步長ΔU以快速到達(dá)最大功率點(diǎn)，而此時(shí)增加一個較大的步長ΔU就會讓電壓值超過新的最大功率點(diǎn)電壓U'PMAX，這樣就會引起較大的擾動。

其實(shí)，在這種情況下仍可以采用定步長法(確定一個較小的δU)來實(shí)現(xiàn)。與文獻(xiàn)不同的只是所參考的功率點(diǎn)由PN修正為PN+1，即在電壓不變的情況下，如果發(fā)現(xiàn)功率變化較大時(shí)，則直接以新的功率點(diǎn)為基礎(chǔ)來進(jìn)行定步長的擾動。由圖4可知，PN+1點(diǎn)其實(shí)已經(jīng)非常接近于新的最大功率點(diǎn)的位置了，所以僅需較小定步長的擾動就能很快找到新的最大功率點(diǎn)了。省去了一個變步長的計(jì)算及由于變步長而可能引起在新的最大功率點(diǎn)附近產(chǎn)生振蕩的現(xiàn)象。此方法的工作流程圖見圖5，如果檢測出來功率變化量ΔP小于某一確定值ε時(shí)，表明無突變，則采用正常的定步長擾動法;如檢測出來功率變化量ΔP大于某一確定值ε時(shí)，表明有突變產(chǎn)生，則根據(jù)功率的變化是變大還是變小來確定下一步的擾動。如果變大則給原電壓增加一個定步長的變量δU，如果功率變小則給原電壓減小一個定步長的變量δU，再重新測量功率PN+2，再與PN+1進(jìn)行比較，這時(shí)新的ΔP將小于確定值ε，可進(jìn)入無突變的正常擾動尋優(yōu)的程序中。通過增加一個判斷ΔP與確定值ε的比較，達(dá)到快速切入最大功率點(diǎn)的目的。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證算法的可行性，在特定條件下進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)定光伏電池溫度T為25℃，模擬天空云彩對光伏電池的影響。設(shè)定在時(shí)間t為0.2 s時(shí)，光強(qiáng)G由400 W突增至1 000 W，在時(shí)間t為0.4 s時(shí)，光強(qiáng)G由1000 W突減到600 W。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(圖6)。由圖6可以看出，在溫度條件不變的情況下，當(dāng)光照強(qiáng)度突然改變，采用改進(jìn)后的功率擾動法可以較快地找到最大功率點(diǎn)，如日照光強(qiáng)由弱到強(qiáng)時(shí)，電壓亦由低到高平穩(wěn)到達(dá)最大功率點(diǎn)電壓。且光強(qiáng)的變化量越大則最大功率點(diǎn)電壓的變化量相對較大，尋優(yōu)的時(shí)間也會相對長一些。而趙晶(2009)等變步長法則在最初的變化中由于步長較大，會存在一個明顯的電壓越過最大功率點(diǎn)電壓再回落的過程，帶來了尋優(yōu)過程中的振蕩。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 The simulation results

4 結(jié)論

本文分析了光伏電池的輸出特性，影響光伏電池最大功率輸出的主要因素，分析了傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤算法的恒定電壓法和功率擾動法的優(yōu)缺點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上結(jié)合影響光伏電池最大功率輸出主要因素日照光強(qiáng)及溫度的特性，提出了一種實(shí)用的改進(jìn)型功率擾動算法，對因日照強(qiáng)度突變產(chǎn)生最大功率點(diǎn)的跟蹤實(shí)現(xiàn)快速反應(yīng)，且避免了變步長法的電壓波動過大的現(xiàn)象，此方法省去了變步長的計(jì)算模塊，雖然相對其它算法來講精度不能與它們相比，但其算法簡單，控制成本較低，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

馮垛生.2009.太陽能發(fā)電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:人民郵電出版社.

張建坡，張紅艷，馬朝暉.2009.光伏系統(tǒng)變步長最大功率跟蹤策略仿真研究［J］.可再生能源，27(5):10-14.

趙磊，陳歆技，閆慶開，等.2009.光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤的一種改進(jìn)方法及其仿真［J］.電工電氣，(9):30-33.

張超，何湘寧，趙德安，等.2009.光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長MPPT控制策略研究［J］.電力電子技術(shù)，43(10):47-49.

趙晶.2009.基于改進(jìn)型單純式加速法變步長MPPT控制算法［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，32(10):164-166.

Study on Improved Power Disturbances MPPT Control Algorithm of Photovoltaic System

YANG Jian-xun(Wuxi High-New Technology Industrial Development Co.，Ltd，Wuxi，JS 214000，China)

The output characteristics of PV modules and the key factors controlling PV module’s power output are analyzed.An improved power disturbance based Maximum Power Point Tracking(MPPT)algorithm is given by comparing the pros and cons for the principle of constant voltage algorithm＆power perturbation algorithm.This new algorithm addresses two problems of traditional algorithm，i.e.fast track mutation light and large disturbance during initial phase of variable step algorithm.The effectiveness of the new algorithm is simulated.This should be helpful for future engineering practice.

photovoltaic cells;output characteristics;maximum power point tracking(MPPT);power perturbation

TP391.9

A

1674-3504(2011)04-0396-05

楊建勛.2011.光伏系統(tǒng)功率擾動改進(jìn)型MPPT算法研究［J］.東華理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，34(4):396-400.YANG Jian-xun.2011.Study on improved power disturbances MPPT control algorithm of photovoltaic system［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，34(4):396-400.

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.04.016

2011-10-09; 責(zé)任編輯:吳志猛

楊建勛(1971—)，男，工程師，主要研究方向電力電子技術(shù)。