光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法的對(duì)比研究及改進(jìn)

王麗萍，張建成

（華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定 071003）

面對(duì)日益枯竭的化石能源和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，人類需要進(jìn)行第三次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，從礦物能源向可再生能源轉(zhuǎn)換，用可再生能源替代礦物能源，用無(wú)碳能源、低碳能源替代高碳能源[1]。為降低對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴，世界對(duì)新型能源的重視越來(lái)越高。太陽(yáng)能是最具潛能的新能源形式之一，其中光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用的有效方式之一。光伏發(fā)電具有許多優(yōu)點(diǎn)，如：安全可靠，無(wú)噪聲，無(wú)污染，能量隨處可得，無(wú)需消耗燃料，不受地域限制，規(guī)模大小隨意，無(wú)需架設(shè)輸電線路，可以方便地與建筑物相結(jié)合等，這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)發(fā)電和其他發(fā)電方式所不可比擬的[1]。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，達(dá)到充分利用太陽(yáng)能資源的目的，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)光伏電池的工作點(diǎn)，使之工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱為最大功率點(diǎn)跟蹤[2]。

1 光伏電池模型及輸出特性

1.1 光伏電池的數(shù)學(xué)模型

在光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度一定時(shí)，光伏電池既非恒壓源，也非恒流源，也不可能為負(fù)載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。其等效電路如圖1所示[1,3]。

圖1中，UJ為PN結(jié)電壓，Id為光伏電池在無(wú)光照時(shí)的飽和電流

圖1 光伏電池等效電路

一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池，由于串聯(lián)電阻RS很小，旁路電阻Rsh很大，所以在進(jìn)行理想電路的計(jì)算時(shí)，它們均可忽略不計(jì)。由圖1的太陽(yáng)能光伏電池等效電路得出：

式中，I為光伏電池輸出電流；I0為PN結(jié)的反向飽和電流；Iph為光生電流；U為光伏電池輸出電壓；q為電子電荷，q=1.6伊10-19C；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38伊10-23J/K；T為熱力學(xué)溫度；n為N結(jié)的曲線常數(shù)；Rs，Rsh為光伏電池的自身固有電阻。

1.2 光伏電池電氣特性

光伏電池的輸出特性主要通過(guò)I-U和P-U特性曲線來(lái)加以體現(xiàn)[4]，如圖2所示。

圖2 光伏電池的I-U和P-U特性曲線

從圖2中可以看出，光伏電池的輸出特性曲線與工作環(huán)境的光照、溫度等因素有著密切的關(guān)系，且具有明顯的非線性特性，在一定的光照及溫度條件下，電池具有唯一的最大功率點(diǎn)，所以為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率的最大化，需要對(duì)光伏電池的輸出功率進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

2 MPPT控制方法的對(duì)比分析

國(guó)內(nèi)外研究MPPT的算法很多，比較成熟的有恒定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法/爬山法、電導(dǎo)增量法等[2]。恒定電壓法（CVT）就是將光伏電壓固定在最大功率點(diǎn)附近，該控制方法簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，初期投入少，系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性，但是跟蹤精度差，忽略了溫度對(duì)光伏電池開(kāi)路電壓的影響，測(cè)量開(kāi)路電壓要求光伏陣列斷開(kāi)負(fù)載后再測(cè)量，對(duì)外界條件的適應(yīng)性差，環(huán)境變化時(shí)不能自動(dòng)跟蹤到MPP，造成了能量損失。擾動(dòng)觀測(cè)法（P&O）和爬山法（Hill Climbing）都是通過(guò)不斷擾動(dòng)光伏系統(tǒng)的工作點(diǎn)來(lái)尋找最大功率點(diǎn)的方向，該控制方法控制思路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便，跟蹤效率高，提高太陽(yáng)能的利用效率，但是擾動(dòng)觀測(cè)法或爬山法的步長(zhǎng)是固定的，如果步長(zhǎng)過(guò)小，就會(huì)導(dǎo)致光伏陣列長(zhǎng)時(shí)間地停滯在低功率輸出區(qū)，如果步長(zhǎng)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇，并且在日照強(qiáng)度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤判現(xiàn)象。電導(dǎo)增量法是通過(guò)調(diào)整工作點(diǎn)的電壓，使之逐步接近最大功率點(diǎn)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，該方法能夠判斷工作電壓與最大功率點(diǎn)電壓的相對(duì)位置，能夠快速地跟蹤光強(qiáng)迅速變化引起的最大功率點(diǎn)變化，控制效果好，穩(wěn)定度高，但是該控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)性能和傳感器精度要求較高，硬件實(shí)現(xiàn)難。

除以上幾種常用的MPPT控制方法外，目前不斷出現(xiàn)一些較新、較實(shí)用的MPPT算法，如直線近似法、三點(diǎn)重心比較法等。這些算法既參考了已有的比較成熟的方法，又在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和創(chuàng)新，跟蹤精度有了進(jìn)一步的提高。同時(shí)，以模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等為代表的新算法的出現(xiàn)，也為最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)的快速發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和理論依據(jù)[3-4]。對(duì)于各種MPPT算法優(yōu)缺點(diǎn)的比較分析如表1所示。

由以上研究分析發(fā)現(xiàn)，每種MPPT控制方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際工作中需要綜合考慮，根據(jù)不同的環(huán)境采用不同的控制方法，既能提高利用效率又能縮小成本。

表1 MPPT控制方法比較

3 改進(jìn)爬山法研究

考慮到爬山法有較好的跟蹤效率，且實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，本文采用一種改進(jìn)爬山法，該方法采用CVT啟動(dòng)及變步長(zhǎng)的控制策略。CVT啟動(dòng)方法是以0.78倍的開(kāi)路電壓作為爬山法的運(yùn)行初值，能較好地克服爬山法在啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的采樣誤差的缺點(diǎn)，能提高跟蹤速度。變步長(zhǎng)控制法的思想是：當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較遠(yuǎn)時(shí)，步長(zhǎng)取較大，跟蹤速度加快；當(dāng)距最大功率點(diǎn)比較近時(shí)，步長(zhǎng)取較小，慢慢接近最大功率點(diǎn)；當(dāng)非常接近最大功率點(diǎn)時(shí)，穩(wěn)定在該點(diǎn)工作[5]。該變步長(zhǎng)法能克服爬山法在最大功率點(diǎn)附近振蕩的缺點(diǎn)。改進(jìn)爬山法控制流程圖如圖3所示。

4 改進(jìn)爬山法仿真分析

圖3 改進(jìn)爬山法控制流程圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤器采用Boost DC/DC變換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM波的占空比控制功率的輸出。

在Boost變換器的電路中串入MPPT控制系統(tǒng)，利用Matlab/simulink搭建仿真模型，編寫(xiě)S函數(shù)作為MPPT的控制模塊，對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行追蹤，MPPT仿真模型如圖4所示。

圖4 MPPT仿真模型

對(duì)短路電流3.2 A、開(kāi)路電壓22 V、最大功率點(diǎn)電流2.94 A和最大功率點(diǎn)電壓17 V的光伏電池模塊組成17伊1的光伏電池陣列進(jìn)行仿真，即其短路電流和光伏電池陣列的開(kāi)路電壓分別為3.2 V和374 V，光伏電池陣列最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓分別為2.94 A和289 V。光伏陣列輸入光強(qiáng)為1 000 W/m2，溫度為25益。

為了形成對(duì)比，對(duì)不加MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)、加爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)和加改進(jìn)爬山法MPPT控制器的光伏發(fā)電系統(tǒng)分別進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖5所示。

由圖5可見(jiàn)，未加MPPT控制的光伏電池輸出功率振蕩范圍很大，輸出功率很不穩(wěn)定。爬山法MPPT控制系統(tǒng)能較好地跟蹤到最大功率點(diǎn)，但是在最大功率點(diǎn)處還有一定振蕩。改進(jìn)爬山法的MPPT控制系統(tǒng)有效地改善了爬山法的缺點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近振蕩小，跟蹤速度也比較快，提高最大功率跟蹤的效率。

圖5 MPPT仿真圖形

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)幾種常見(jiàn)的MPPT控制方法的比較研究，可以看出，恒定電壓法控制簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)，但跟蹤精度差，在外界環(huán)境變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大誤差；爬山法簡(jiǎn)單實(shí)用、跟蹤效率高，但在最大功率點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生振蕩，存在誤差；電導(dǎo)增量法雖然跟蹤快速穩(wěn)定，但由于實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中電壓和電流的檢測(cè)所依賴的傳感器精度的有限性，采用電導(dǎo)增量法很難達(dá)到預(yù)期的最大功率跟蹤效果。所以本文采用一種改進(jìn)爬山法，并對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真實(shí)驗(yàn)證明基于變步長(zhǎng)的改進(jìn)爬山法能夠克服爬山法存在的振蕩現(xiàn)象和能量的損失，并且結(jié)合CVT啟動(dòng)能夠更加快速地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。因此改進(jìn)爬山法克服了常規(guī)跟蹤算法中存在的效率低、能量損失大、不穩(wěn)定等的缺點(diǎn)，可以很好地適應(yīng)各種場(chǎng)合對(duì)光伏系統(tǒng)MPPT控制的要求，是一種較理想的MPPT控制方案。

[1]車孝軒.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)概論[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2006.

[2]ENRIQUE J M，ANDU’JAR J M，BOHO’RQUE M A.A Reliable，F(xiàn)ast and Low Cost Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Applications[J].Solar Energy，2010（84）：79-89.

[3]SALAS V，Ol'as E，BARRADO A，La'zaro A.Review of the Maximum Power Point Tracking Algorithms for Standalone Photovoltaic Systems[J].Solar Energy Materials&Solar Cells，2006，90：1555-1578.

[4]崔巖，蔡炳煌，李大勇，等.太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對(duì)比研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2006，27（6）：536-538.

[5]GEOFF WALKER.Evaluating MPPT Converter Topologies usingaMatlab PVModel[J].JournalofElectrical&Electronics En-gineering，2001，21（1）：49-55.