太陽(yáng)能利用中的一種新型MPPT擾動(dòng)算法

付天昊++王偉

摘要：本文介紹了一種新型的MPPT擾動(dòng)算法，此算法采用分段擾動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)更高效的MPPT控制，并給出了實(shí)驗(yàn)方法。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，所作改進(jìn)改進(jìn)達(dá)到了目的。

關(guān)鍵詞：MPPT控制；新型擾動(dòng)法；太陽(yáng)能利用

一、引言

在倡導(dǎo)新能源利用的今天，太陽(yáng)能作為綠色環(huán)保清潔能源的潛在價(jià)值被人們?cè)絹?lái)越多的注意到，太陽(yáng)能利用率也成為關(guān)注的重點(diǎn)。

自適應(yīng)太陽(yáng)能電池，是利用太陽(yáng)能電池板的光伏特性，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中完成能量由光到電的轉(zhuǎn)換，并將其儲(chǔ)存在蓄電池中的一種新型的能源利用方式。因此，使閉環(huán)系統(tǒng)在最大限度的利用太陽(yáng)能資源的同時(shí)，顧及蓄電池和整個(gè)系統(tǒng)模塊的工作效率，是我們需要解決的問(wèn)題。MPPT技術(shù)在這一方面給予我們很好地幫助。

二、太陽(yáng)能MPPT技術(shù)

（一）電路的基本結(jié)構(gòu)。如圖一電路利用太陽(yáng)能電池板光伏特性把采集到的光能轉(zhuǎn)化為電能傳入電路，通過(guò)電路中由MCU控制的開關(guān)控制充放電。RL為負(fù)載或者蓄電池。

圖一 太陽(yáng)能電池工作簡(jiǎn)易電路

（二）普通MPPT干擾算法分析。通過(guò)實(shí)際工作時(shí)太陽(yáng)能電池板的工作電壓U和工作電流I可以得到實(shí)際的太陽(yáng)能電板工作功率P。考慮太陽(yáng)能電板所處的工作環(huán)境，其功率特性會(huì)經(jīng)常受到外界因素的影響，譬如溫度和光照強(qiáng)度，同時(shí)在電壓達(dá)到一定值后，系統(tǒng)的工作特性會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致電流減小，太陽(yáng)能電板實(shí)際的工作功率也會(huì)減小。因此太陽(yáng)能電板的功率P并非與工作電壓U呈線性變化關(guān)系，而是一個(gè)類似開口向下的二次函數(shù)曲線，先增后減。我們將太陽(yáng)能電池板放在一個(gè)確定外界因素的環(huán)境中，可以找到太陽(yáng)能的最大功率點(diǎn)。要使系統(tǒng)保持在最大功率點(diǎn)，提高工作效率，需要引入MPPT技術(shù)。

如圖二所示，在確定了外界環(huán)境后，一般情況下可以認(rèn)為太陽(yáng)能電池板工作在伏安特性曲線的工作點(diǎn)a的位置，工作功率記為Pa。顯然a點(diǎn)并非整個(gè)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)位置，我們假設(shè)MPP點(diǎn)有整個(gè)系統(tǒng)最大的功率，為Pm，那么這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)兩種狀況：

（1）a點(diǎn)落在最大功率點(diǎn)之外未達(dá)到最大功率；

（2）a點(diǎn)與最大功率點(diǎn)重合得到最大功率。

圖二 太陽(yáng)能工作U-I曲線

基于（1）我們要做的就是使Pa向Pm靠攏，同時(shí)基于（2）我們則需要工作狀態(tài)保持在Pm點(diǎn)。這個(gè)時(shí)候我們引入干擾型MPPT算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Pm的鎖定。普通的擾動(dòng)型MPPT算法是給系統(tǒng)添加擾動(dòng)電壓δV，通過(guò)電壓的改變調(diào)節(jié)形同的工作功率，使整個(gè)系統(tǒng)逐步向最大功率靠攏。這種方法，在粗略的調(diào)節(jié)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)工作功率向最大功率點(diǎn)靠攏的趨勢(shì)，但是，單一不變的δV會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作功率無(wú)法在最大功率點(diǎn)附近，反而會(huì)產(chǎn)生一定的振蕩，影響MPPT算法的實(shí)際效果?；诖?，對(duì)擾動(dòng)型MPPT進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型的MPPT擾動(dòng)算法。

三、新型MPPT算法分析

（一）算法描述。由于光伏特性曲線在最大功率點(diǎn)附近曲線變化率不同，當(dāng)擾動(dòng)電壓δV為固定值時(shí)，會(huì)影響擾動(dòng)法的實(shí)際效果。新型的MPPT算法是通過(guò)采集太陽(yáng)能系統(tǒng)的功率變化率K，確定一個(gè)得到K的擬合函數(shù)，輔以調(diào)節(jié)δV，以達(dá)到最佳的擾動(dòng)效果。為了使算法得到最大程度的優(yōu)化，而且一個(gè)固定的δV在系統(tǒng)工作功率遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)時(shí)，同樣可以發(fā)揮效果。所以我們對(duì)整個(gè)擾動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分段處理。本文設(shè)定一個(gè)工作功率和最大功率點(diǎn)之間差距|δP|的閾值￡來(lái)調(diào)節(jié)擾動(dòng)所用的擬合函數(shù)。

通過(guò)對(duì)δV的調(diào)節(jié)，以一種非線性的關(guān)系逼近最大功率點(diǎn)，可以大大提高算法的實(shí)際效果。同時(shí)單片機(jī)組成的MPPT控制器會(huì)不斷地將|δP|與￡進(jìn)行比較，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)擾動(dòng)設(shè)置。

（二）K值獲取。通過(guò)對(duì)K值的研究，可以發(fā)現(xiàn)本次實(shí)驗(yàn)所用太陽(yáng)能電池板在|δP|在0～2w范圍內(nèi)的時(shí)候，需要進(jìn)行K值干擾（即￡=2w）。我們通過(guò)實(shí)際的采樣得到了間隔為0.2w的采樣點(diǎn)，如表一所示：

為了使|δP|-K的關(guān)系更清晰的表達(dá)，采用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到如下圖所示圖像：

同時(shí)我們得到了圖五擬合曲線的一般函數(shù)表達(dá)式：

當(dāng)X>￡時(shí)：擾動(dòng)電壓為δV；

當(dāng)X>￡時(shí)：擾動(dòng)電壓為KδV。

通過(guò)觀察這一曲線，可以得出固定的擾動(dòng)無(wú)法達(dá)到精確實(shí)現(xiàn)MPPT功能的結(jié)論。K值擾動(dòng)有其存在的合理與優(yōu)越性，在實(shí)際中，可以通過(guò)誤差允許范圍內(nèi)的函數(shù)關(guān)系式確定K值。

四、實(shí)驗(yàn)比較論證

（一）實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)使用直流電源輔以滑動(dòng)電阻模擬太陽(yáng)能電池，BUCK電路作為被控器件，可變電阻做負(fù)載，實(shí)驗(yàn)電路如圖六所示。MPPT控制器控制DC/DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)節(jié)端。通過(guò)負(fù)載和電源內(nèi)阻以及系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)來(lái)模擬測(cè)試 MPPT 的跟蹤效果。

表二為兩種MPPT方法的實(shí)驗(yàn)比較數(shù)據(jù)。

初態(tài)下：Va（即Vs）= 60V，W1=72Ω，W2=36Ω。通過(guò)DC/DC轉(zhuǎn)換器與W2等效為一個(gè)電阻R，用以調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻抗。當(dāng)R=W1時(shí)，系統(tǒng)有最大功率，Vb=1/2Va。

由于單片MPPT控制器不斷采集工作功率的參數(shù)與最大功率點(diǎn)進(jìn)行比較，所以得到的Vb總是在一個(gè)較小的電壓區(qū)域中反復(fù)變化。

將實(shí)驗(yàn)的結(jié)果反映在圖七折線圖中更加清晰地得到兩種MPPT算法在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)，將負(fù)載電壓Vb的上限和下限按照表二次序記錄在圖中，越靠近為30V的基準(zhǔn)線，表示性能越優(yōu)越，結(jié)果越準(zhǔn)確：

五、結(jié)語(yǔ)

由表二和圖七可知，改進(jìn)型的MPPT擾動(dòng)算法下所達(dá)到的最大功率點(diǎn)跟蹤的效果更好。在折線圖中新型MPPT擾動(dòng)算法控制的系統(tǒng)明顯更為平滑且更接近最佳狀態(tài)（Vb=30V），由此可見新型MPPT擾動(dòng)算法是一個(gè)成功的改良。這一改良能夠使太陽(yáng)能在能量轉(zhuǎn)換時(shí)表現(xiàn)更高的效率，有效地提高了資源利用率，有著廣泛且深刻的應(yīng)用前景。

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【資助項(xiàng)目】浙江省大學(xué)生科研創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目 2015R409026