基于U、I、P、T多變量協(xié)同控制的MPPT研究

龍濤元，宋國翠

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，廣東 中山 528436）

太陽能資源近乎無限，利用光伏電池組件直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔苁且豁?xiàng)具有廣闊前景的綠色能源應(yīng)用技術(shù)。當(dāng)前光伏電池輸出特性受垂直入射太陽電池板的光照強(qiáng)度，以及溫度影響，且是非線性的。為了盡可能提高太陽能電池輸出功率，需要不斷地調(diào)整后級電路的等效輸入阻抗，以確保太陽能電池能夠輸出最大功率，提高發(fā)電效率。因此最大功率跟蹤—MPPT（Maximum Power Point Tracking）技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)之一。

當(dāng)前實(shí)現(xiàn)MPPT技術(shù)的方法有固定電壓法、擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等其它在擾動(dòng)觀察法、增量電導(dǎo)法，以及固定電壓法基礎(chǔ)上改進(jìn)的方法[2]。無論哪種MPPT方法，跟蹤速度和精度是衡量MPPT方法的最重要技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)MPPT方法的硬件成本也是重要考慮因素之一。本文提出基于電壓（U）、電流（I）、功率（P）（簡稱 UIPT）多參量的 MPPT控制方法，實(shí)現(xiàn)提高跟蹤效率和精度，以及較小的硬件開支。

1 UIPT多變量MPPT法

1.1 太陽能電池特性

圖1為太陽能光伏電池的等效電路，其中為Iph光生電流，能夠反映垂直入射太陽能電池板的光照強(qiáng)度和光照面積；ID為光電池反向飽和電流，是光伏電池內(nèi)部暗電流，能反映溫度對電池板的影響；Rsh為光電池的并聯(lián)電阻；Rs為光電池的串聯(lián)電阻；IL為負(fù)載電流，即太陽能電池板的輸出電流；Uo為負(fù)載2端電壓，即光伏電池帶負(fù)載RL時(shí)的輸出電壓。

根據(jù)太陽能電池等效電路，可得上述變量之間的相互關(guān)系，即太陽能電池的數(shù)學(xué)模型，見表達(dá)式（1）。其中Io為太陽能電池內(nèi)部等效二極管的反向飽和電流，近似常數(shù)；A為太陽能電池內(nèi)部P-N結(jié)曲線；q為電荷常量；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為太陽能電池環(huán)境溫度。

圖1 太陽能電池等效電路Fig.1 The equivalent circuit of solar cell

考慮Rs非常小，Rsh非常大，根據(jù)表達(dá)式（1），可知太陽能電池短路輸出電流Isc近似等于Iph，即Isc主要受光照強(qiáng)度影響，且光照強(qiáng)度增加，Isc增加；如果不能忽略Rs，則短路輸出電流Isc略受環(huán)境溫度影響，且溫度上升，Isc增加。而開路電壓Uoc同時(shí)受到光照強(qiáng)度和溫度影響，根據(jù)表達(dá)式（1），Uoc與環(huán)境溫度成反向關(guān)系 ，即溫度增加，Uoc降低；Uoc與光照強(qiáng)度成正向關(guān)系 ，即光照強(qiáng)度增加，Uoc增加。根據(jù)太陽能電池的數(shù)學(xué)模型，可以得到太陽能電池的電壓端電壓（U）、輸出電流（I）、輸出功率（P）3個(gè)變量在光照強(qiáng)度變化的關(guān)系曲線，見圖2所示，以及環(huán)境溫度變化的關(guān)系曲線，見圖3所示。

圖2 溫度一定，不同光照強(qiáng)度的U、I、P關(guān)系曲線Fig.2 Constant temperature and different illumination， the relation curve of U，I， and P

圖3 光照強(qiáng)度一定，不同溫度的U、I、P關(guān)系曲線Fig.3 Constant illumination and different temperature， the relation curve of U， I， and P

根據(jù)圖2，圖3分析太陽能電池的U、I、P關(guān)系曲線可知，光照強(qiáng)度增強(qiáng)，最大輸出功率、電流均增加，而最大功率輸出點(diǎn)增加，但增加幅度不大；溫度增加，最大輸出功率略微減小，電流小幅增加，最大輸出功率點(diǎn)減小。因此，恒壓法是無法確保太陽能電池在溫度和光照強(qiáng)度變化時(shí)依然保持最大功率輸出。增量電導(dǎo)法，即依據(jù)dP/dU找出最大輸出功率點(diǎn)，盡管在速度和精度上效果都不錯(cuò)，但存在是精度與速度的矛盾關(guān)系，另在尋求過程中，環(huán)境的變化容易導(dǎo)致增量電導(dǎo)法出現(xiàn)誤判。其他改進(jìn)方法都有其各自的特點(diǎn)，但在控制實(shí)現(xiàn)難度，控制速度和精度等方面都存在一定的不足。UIPT多變量MPPT方法考慮簡單易實(shí)現(xiàn)，也考慮跟蹤的效率和精度。

1.2 UIPT多變量協(xié)同控制原理

以圖 4（a），（b）來說明 UIPT 多變量系統(tǒng)控制原理，現(xiàn)定義第n次采樣值電流用In、電壓用Un、功率用Pn表示，溫度用Tn表示；第n+1次采樣值電流為 In+1、電壓為Un+1、功率用 Pn+1表示，溫度用Tn+1表示?，F(xiàn)以連續(xù)2次采樣的功率大小關(guān)系加以說明。

圖4 工作電壓增加，輸出功率點(diǎn)位置變化情況Fig.4 Increasing output voltage，the change of output power

若 Pn+1＞Pn，如圖 4（a）所示，無論因光照變強(qiáng)使得第 n+1次功率點(diǎn)在2′，或因光照減弱在2″，以及因光照強(qiáng)度基本不變在2處。只要Pn+1＞Pn，就可以確認(rèn)Un+1

若Pn+1

在正確判斷功率點(diǎn)位置后，需要根據(jù)dP/dU的大小自動(dòng)調(diào)整步長大小。UIPT多變量協(xié)同控制策略流程圖如圖5所示。圖中εi為電流變化因子，用于判斷光照強(qiáng)度是否變化的閥值，ε為在dP<0條件下的電流變化因子，用于判斷工作點(diǎn)是在最大工作點(diǎn)右側(cè)與否。kc為步長固定增量因子，kv為根據(jù)dP/dU的大小的變步長因子，自行隨著dP/dU的大小改變大小和極性，使得在dP/dU=0時(shí)，kc+kv=0，即Dk=Dk-1，實(shí)現(xiàn)最大輸出功率點(diǎn)跟蹤。

2 實(shí) 驗(yàn)

文中以BUCK變換器作為DC/DC變換電路，建立基于UIPT多變量協(xié)同控制的仿真模型如圖6所示，工作過程為：檢測太陽能電池輸出電壓和電流，經(jīng)過MPPT S-Function和PWM模塊調(diào)節(jié)MOSFET的PWM驅(qū)動(dòng)信號的占空比，得以實(shí)現(xiàn)改變等效阻抗，使太陽能電池輸出電壓在最大輸出功率點(diǎn)Upm。

實(shí)驗(yàn)條件：環(huán)境條件——考慮光照強(qiáng)度850持續(xù)時(shí)間0.2 s，然后上升至 1 000，再持續(xù) 0.2 s，然后又降至 900，T=30℃；太陽能電池參數(shù)：T=25℃時(shí)，Uoc=24 V，Isc=9 A，采用UIPT多變量協(xié)同控制仿真獲得太陽能電池的輸出功率曲線如圖7（a）所示，采樣固定步長法獲得功率曲線如圖 7（b）所示。圖7（a）與（b）比較，表明UIPT多變量協(xié)同控制能夠快速穩(wěn)定地追蹤到最大輸出功率點(diǎn)。

圖5 UIPT多變量協(xié)同控制流程圖Fig.5 The flow chart of UIPT cooperative control

圖6 基于UIPT多變量協(xié)同控制的MPPT仿真模型Fig.6 MPPT Simulink model based on UIPT cooperative control

3 結(jié) 論

文中提出了基于UIPT多變量協(xié)同控制的MPPT算法，該算法避免了誤判問題，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可在復(fù)雜的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)太陽能電池的最大輸出功率跟蹤，且具有良好的追蹤速度和穩(wěn)定性。通過Matlab/Simulink建立仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖7 在上述測試環(huán)境下，不同MPPT方法下的輸出功率Fig.7 The output power of different MPPT in above mentioned test conditions

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