基于變步長擾動的光伏MPPT 算法

呂陽

（陜西東方航空儀表有限責任公司，陜西 漢中 723102）

近年來，隨著經(jīng)濟復蘇，各行各業(yè)都在飛快發(fā)展。能源是保障及制約社會發(fā)展的重要因素。若能源匱乏，將嚴重影響經(jīng)濟建設。相較于其他可再生能源，如風能、水能等能源，受區(qū)域及特定環(huán)境影響。太陽能的資源非常豐富，是新能源領域的翹楚，也是未來的一個大趨勢[1]。充分利用太陽能資源，對于緩解能源危機，保證社會發(fā)展有著巨大的意義。

當下，利用太陽能發(fā)電就要提高太陽能電池的工作效率。研究發(fā)現(xiàn)，光照強度和溫度參數(shù)會限制太陽能電池的工作效率。并不是如慣性思維所認知的：光照強度越強，溫度越高，太陽能的發(fā)電效率就越強。而是當太陽能發(fā)電系統(tǒng)滿足特定條件時，太陽能電池才會保持最大輸出功率。因此，如何提升太陽能發(fā)電效率，是新能源領域的熱點問題。目前，業(yè)內公認使太陽能電池在最大功率輸出的技術被稱之為MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率點跟蹤）控制技術[2]。通過MPPT 算法的控制，可以提高太陽能利用率，解決一系列的能源問題。

此類算法均是通過了解太陽能電池基本特性，采集太陽能電池的電壓、電流，推算太陽能最大功率點，加以控制算法調控，以實現(xiàn)最大功率追蹤，提升太陽能系統(tǒng)的效率。目前經(jīng)典的控制算法有定電壓法、擾動觀測法、變步長的擾動觀測法等。此類算法應用在工程實際中，極大地提高了太陽能發(fā)電的效率[3-4]。

本文首先介紹了太陽能發(fā)電的基本原理，然后給出了定電壓法與擾動觀測法與及步長可調控的擾動觀測法的原理。最后，利用Matlab 驗證了本文方法的正確性。

1 太陽能電池特性

1.1 太陽能電池模型

太陽能電池是將太陽能轉化為電能的載體。必須通過載體，才能實現(xiàn)能量的轉換過程[5-6]。因此，對太陽能電池單元進行數(shù)學建模，以得到其量化的數(shù)學關系。常見的太陽能電池等效電路圖如圖1 所示。

圖1 太陽能電池等效電路圖

對量化的數(shù)學關系進行化簡及分析可以得到式（1）：

式（1）中：Ipv為光伏輸入電流；Irev為溫度T下的反向飽和電流；q為電子電荷量（1.602e-19J）；v為二極管電壓；k為固定的常數(shù)（1.381e-23J/K）；T為溫度。

太陽能電池輻射率G與Isc是正相關的關系，即光照強度G越大，Isc越大。

從式（1）可以看出：太陽能電池輸出電流直接受光照強度及溫度影響[7]。設置太陽能電池參數(shù)S=1 000 W/m2，T=25 ℃時，最大輸出功率Pmax=80 W，開路電壓Uoc=20 V，短路電流Isc=7.5 A，最大功率點電壓Umax=16 V，最大功率點電流Imax=5 A。

根據(jù)式（1）在Matlab 軟件中做出Pmax與G和T之間的曲線圖，如圖2 所示。

圖2 U-P 曲線

從圖2 中可以看出：在T與G不變的時候，太陽能電池的U-P曲線圖存在最大功率點，在此點運行時，系統(tǒng)會輸出最大功率。如果光照強度增強，太陽能最大輸出功率增加。如果溫度降低，太陽能最大輸入功率增加。只有當光照強度及溫度保持合適的點，才能實現(xiàn)太陽能最大功率追蹤。

1.2 Boost 變換器建模

太陽能電池的功率若想傳遞到后級，常常需要DC-DC 電路作為其能量傳遞的載體。本文選用Boost作為MPPT 的載體[8-10]。Boost 電路如圖3 所示。

圖3 Boost 電路

圖3 中，S 為控制開關，D 為二極管，L 為電感，C 為穩(wěn)壓電容。因此在Boost 電路工作時，利用傳感器采集電壓電流后，經(jīng)過MPPT 算法控制工作電壓[11-14]，使其保持最大功率輸出，以提升太陽能的利用效率。

2 光伏MPPT 策略設計

2.1 定電壓法光伏MPPT 的工作原理

太陽能輸出功率曲線如圖4 所示。

圖4 太陽能輸出功率曲線

從圖4 可知：若對于某個確定的太陽能電池，假設在光照強度與溫度不改變，此刻最大功率輸出點為C點。若Boost 工作電壓為C點時的工作電壓，可實現(xiàn)最大功率輸出，保證太陽能電池處于最大利用率中。

從上述分析可知：定電壓法即是利用電子控制手段，將Boost 電路的工作電壓恒定地維持到太陽能電池典型的工作電壓，達到最大功率輸出的目的。

此種控制的優(yōu)點在于：在環(huán)境固定不變的系統(tǒng)中，可以迅速追蹤到太陽能電池MPPT 點。并且采集變量少，控制簡單，可行性強。

此種控制的缺點在于：由于實際中光照強度與溫度在不停變化，最大功率輸出點會不停變化。而定電壓法由于將工作電壓固定，所以無法準確追蹤到最大輸出功率。若在極端天氣下，與最大功率追蹤點的偏差會拉得更遠。這將限制太陽能電池的發(fā)電效率。

這種方法屬于開環(huán)調節(jié)，所以迫切需要能實時追蹤最大功率的MPPT 算法，以提高太陽能光伏發(fā)電的工作效率。

2.2 擾動觀測法光伏MPPT 的工作原理

從圖4 可以看出，C點所對應的功率輸出點，又被命名為最大功率輸出點。

該方法的核心思路是：通過本次采樣功率與上次采樣功率進行對比。以A點為例，若是本次采樣功率大于上次功率，則以固定步長抬升工作電壓，以提升輸出功率。從A點到C點的過程，實現(xiàn)了最大功率追蹤。若是剛好到達C點，即最大功率輸出電。本次采樣功率等于上次功率，則以固定步長不變，保持此刻的輸出功率。以B點為例，若是本次采樣功率小于上次功率，則以固定步長降低工作電壓以提升輸出功率。

此種控制的優(yōu)點在于：可以根據(jù)光照強度和溫度的變化，實時進行最大功率尋優(yōu)。不會像定電壓法一樣，無法適應環(huán)境的變化，且操作簡單，控制性較強，也是目前工程上主流的方法之一。

此種控制的缺點在于：傳統(tǒng)的擾動觀測法每次增加或者減少的步長是一定的。若是步長過大，會導致工作電壓每次變化范圍過大，無法精準追蹤到最大功率點，會在最大功率點C處來回震蕩；若是固定步長太小，則追蹤速度較慢，影響太陽能電池的工作效率。這種方法無法兼顧快速性與穩(wěn)定性，控制性能較差。

2.3 變步長擾動觀測法光伏MPPT 的工作原理

傳統(tǒng)擾動觀測法由于步長固定，所以無法迅速準確追蹤最大功率點，還容易在最大功率點附近發(fā)生震蕩現(xiàn)象，這會嚴重制約太陽能發(fā)的發(fā)電效率。

相對于擾動觀測法，變步長擾動觀測法加入了調控因子這個變量。以A點為例，在跟蹤初始階段，調控因子變大，以一個較大的步長提升工作電壓，使其迅速追向最大功率點C點。若是剛好到達C點，即最大功率輸出點。本次采樣功率等于上次功率，則不進行迭代，繼續(xù)使用現(xiàn)在的工作電壓，進行功率輸出。若是超出C點后，若是本次采樣功率小于上次功率，調控因子變小，以一個較小的步長降低工作電壓，使其迅速往C點方向偏移，以提升輸出功率。

通過不斷迭代計算，使系統(tǒng)可以保持最大功率輸出。這種方法兼顧了其快速性及保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以提升系統(tǒng)效率，提高能源的利用率。

3 仿真驗證

在Matlab 中驗證方法正確性。參數(shù)：S=900 W/m2、T=25 ℃，Voc=22.4 V、Vmax=20 V、Isc=4 A，Pmax=80 W。Boost 參數(shù)：L=5 mH、C1=100 μH、C=100 μH，R=30 Ω。

分別用兩種算法在相同工況下仿真，以對比兩種方法的控制性能。T=25 ℃，S在0.05 s、0.15 s 從1 000 W/m2變換到900 W/m2再突變到1 100 W/m2的波形如圖5 所示。

圖5 S 突變的MPPT 曲線

由圖5 可知：在0～0.05 s 啟動時刻，傳統(tǒng)的擾動觀測法較變步長的擾動觀測法達到MPPT 點的時間更短，且震蕩更小。在0.05 s 時，利用仿真軟件，對光照強度突變后，可以明顯看出，變步長的擾動觀測法較傳統(tǒng)的擾動觀測法切換瞬間震蕩小，抗干擾的能力更強。

4 結論

溫度與光照強度制約太陽能電池的工作效率，所以必須進行算法控制以提升輸出功率，增加對太陽能的利用效率。

本文分析太陽能發(fā)電的工作原理，講解了光伏特性曲線及MPPT 工作原理，并推導了MPPT 追蹤方法的跟蹤原理，最后，驗證了算法的有效性。

隨著MPPT 研究的深入，光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率將會繼續(xù)提高，太陽能發(fā)電也會扮演更重要的角色，這會為能源的可持續(xù)發(fā)展作出重要的貢獻。