基于電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)的光伏MPPT算法*

王川川，孫　霞，錢　輝，徐彥東

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000；2.江蘇省徐州市 73682部隊(duì)，江蘇 徐州 221000）

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基于電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)的光伏MPPT算法*

王川川1，孫霞1，錢輝1，徐彥東2

（1.安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000；2.江蘇省徐州市 73682部隊(duì)，江蘇 徐州 221000）

首先介紹了光伏電池工作的基本原理，又在此基礎(chǔ)上對(duì)傳統(tǒng)的MPPT算法進(jìn)行研究并做出了進(jìn)一步改進(jìn)，融合了恒定電壓法與擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)，克服以往方法初始電壓值給定不變的缺點(diǎn)，并結(jié)合了大步長擾動(dòng)法和小步長擾動(dòng)法，提出了一種改進(jìn)的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀察法。通過Simulink仿真驗(yàn)證了該方法具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，波形畸變率小，能提高系統(tǒng)的整體精度和穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。

光伏系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤；變步長擾動(dòng)；電壓自尋優(yōu)

中文引用格式：王川川，孫霞，錢輝，等.基于電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)的光伏MPPT算法［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42（7）：142-145.英文引用格式：Wang Chuanchuan，Sun Xia，Qian Hui，et al.Study on MPPT of self seeking optimal perturbation method［J］.Application of Electronic Technique，2016，42（7）：142-145.

0　引言

能源是推動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展和繁榮的車輪，由于化石燃料產(chǎn)量的急劇下降，如何尋求可替代的可再生能源成為世界各國共同聚焦的問題。作為一種無污染和取之不盡的能源，太陽能在過去的二十年中，已經(jīng)吸引了更多的關(guān)注。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)組裝成本太高，提高效率才是促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵［3］，MPPT算法的改進(jìn)自然成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。MPPT傳統(tǒng)使用的方法包括恒壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法等。其中擾動(dòng)觀察法包括電壓擾動(dòng)觀察法和占空比擾動(dòng)觀察法，該方法控制原理簡單，但是在最大功率點(diǎn)附近存在嚴(yán)重的振蕩問題［1-5］；電導(dǎo)增量法［10］精度高并通過修改邏輯判斷式可以有效減小振蕩，但步長和閾值難以選取，環(huán)境突變時(shí)可能會(huì)發(fā)生誤判。對(duì)于新穎的模糊控制方法，由于直接采用了控制規(guī)則表，所以跟蹤迅速快、波動(dòng)小、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)是控制方法的設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)性，對(duì)于控制目標(biāo)無法定義，周期太長、成本較高［1］，設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大。

在對(duì)以上傳統(tǒng)光伏MPPT分析研究的基礎(chǔ)上，本文提出一種電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)MPPT算法。該算法融合了擾動(dòng)觀察法、恒定電壓法的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了大步長擾動(dòng)法和小步長擾動(dòng)法［1］，可根據(jù)外界環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整步長，不斷更新初始最大電壓Um的值，有效克服了文獻(xiàn)［1］所提擾動(dòng)法由于給定電壓不準(zhǔn)確帶來的誤跟蹤問題。利用MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)搭建光伏電池模型，仿真結(jié)果表明該方法具有兼顧響應(yīng)速度和控制精度的優(yōu)點(diǎn)，在最大功率點(diǎn)附近能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，提高了最大功率點(diǎn)的精度及穩(wěn)定性，減少能量損失［2］。

1　光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型

式中，短路電流用 Iph表示，二極管飽和導(dǎo)通電流為Io，二極管常數(shù)表示為n，q為電子所帶電荷（1.6×10-19C），K為玻爾茲曼常數(shù)（1.38×10-23J/K）。上圖中等效漏電阻 Rsh一般阻值較大，因此通常情況下我們忽略其影響，且Rs相對(duì)于二極管導(dǎo)通電阻可以忽略，簡化可得：

一般情況下Rs遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮瑁虼嗽O(shè)定Iph=Isc，當(dāng)處在最大功率點(diǎn)和開路狀態(tài)情況時(shí)，必須要考慮電壓與電流的關(guān)系。在最大功率點(diǎn)條件下：U=Um，I=Im，開路狀態(tài)下：U=Uoc，I=0，綜合以上對(duì)光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型的分析，可化簡得到式（3）：

由開路條件可以得到：

外界溫度T及光照強(qiáng)度S是影響光伏電池I-U及P-U特性曲線的主要因素［1-3］。所以當(dāng) T及 S變化時(shí)，必須改變模型參數(shù)來描述其在新環(huán)境下的特性曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的 Isc、Im、Vm、Voc來推算出環(huán)境改變后的再代入式（3）、式（4）、式（5）即可得到在新的輻照強(qiáng)度和電池溫度下的特性曲線［9］。

其中：a=0.002 5/℃、b=0.5、c=0.002 88/℃、e為自然對(duì)數(shù)。根據(jù)所得數(shù)學(xué)模型利用MATLAB中Simulink工具搭建了光伏電池仿真模型，如圖2、圖3所示。

廠家提供的主要參數(shù)為 Isc=3.90 A，Uoc=21.6 V，Im= 3.45 A，Um=17.4 V，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為60 W。經(jīng)仿真得到在標(biāo)準(zhǔn)溫度不同光照強(qiáng)度及標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度不同溫度的I-U、P-U特性曲線，如圖 4所示，仿真圖形結(jié)果跟廠家提供參數(shù)一致［4-6］。

圖1　光伏電池電路等效圖

圖2　光伏電池內(nèi)部封裝

圖3　光伏電池特性仿真圖

圖4　光伏電池特性仿真曲線

2　改進(jìn)MPPT算法

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法原理簡單、實(shí)現(xiàn)容易，但在最大功率點(diǎn)處波形震蕩明顯且經(jīng)常出現(xiàn)誤跟蹤，從而導(dǎo)致出現(xiàn)嚴(yán)重的功率損失問題。此外，若擾動(dòng)步長越大，穩(wěn)態(tài)時(shí)振蕩范圍越大，能量損失越嚴(yán)重，如果擾動(dòng)步長太小，對(duì)于外界環(huán)境的變化不能做出快速響應(yīng)［6］。為了兼顧跟蹤速度和精度的要求，本文融合了擾動(dòng)觀察法、恒定電壓法的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合了大步長擾動(dòng)法和小步長擾動(dòng)法，提出了一種電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀察法。該方法首先根據(jù)恒定電壓法原理，即當(dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池的最大功率點(diǎn)近似排列成一條直線，如果近似用一條垂線代替這條直線，即保持電壓為恒定值，則光伏電池的最大功率輸出點(diǎn)近似等于某一恒定電壓 Um［9］，然后測算采樣點(diǎn)電壓Uk與 Um的差值，判斷兩個(gè)電壓差的絕對(duì)值與 Δm、Δs的關(guān)系。若|Uk-Um|＞Δm時(shí)選擇大步長 ΔUm進(jìn)行擾動(dòng)，若|Uk-Um|＜Δs則選擇小步長 ΔUs進(jìn)行擾動(dòng)，反之以常規(guī)步長 ΔUc進(jìn)行擾動(dòng)。由于恒定電壓法選擇的Um為近似值，當(dāng)外界環(huán)境變化很大時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差，因此在每跟蹤到一個(gè)最大功率點(diǎn)時(shí)要更新給定電壓Um的值，即Pk-Pk-1=0時(shí)，Um=Uk。這樣既能保證算法的快速跟蹤效果，又提高了精確度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)法的算法流程圖如圖5所示。

圖5　改進(jìn)MPPT算法流程圖

具體控制過程如下：

（1）首先對(duì)光照強(qiáng)度S、電池板溫度T、電壓Uk、電流信號(hào)Ik進(jìn)行采樣。然后根據(jù)恒定電壓法原理得出初始給定電壓Um的值，再對(duì)參數(shù)Δm、Δs、ΔUm、ΔUs、ΔUc進(jìn)行初始化。

（2）判斷采集到的電壓Uk跟Um的關(guān)系，如若|Uk-Um|＞Δm時(shí)，選擇大步長擾動(dòng)，即 ΔUk=ΔUm，若|Uk-Um|＜Δs則選擇小步長ΔUs進(jìn)行擾動(dòng)，即 Uk=ΔUs，否則以常規(guī)步長ΔUc進(jìn)行擾動(dòng)。這樣判據(jù)過程可以在保證精度的前提下，提高跟蹤速率。

（3）判斷當(dāng)前功率與前一點(diǎn)功率大小，若 Pk-Pk-1=0，說明跟蹤到了在當(dāng)前環(huán)境條件下的最大功率點(diǎn)，把此刻的電壓值Uk賦予全局變量Um，即Um=Uk。當(dāng)外界環(huán)境條件變化時(shí)，電壓將以新的Um值為中心擾動(dòng)逼近，可有效提高跟蹤精度。

（4）通過判斷dP*dU的正負(fù)來決定采取正向擾動(dòng)還是反向擾動(dòng)［9］，若dP*dU＞0，說明此時(shí)采樣點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)的左側(cè)，要采用正向擾動(dòng)，即 Uk+1=Uk+ΔUk，若dP*dU＜0，此時(shí)采樣點(diǎn)位于最大功率點(diǎn)右側(cè)，采取反向擾動(dòng)，即Uk+1=Uk-ΔUk。

3　系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)如上所述基于電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)MPPT算法搭建了控制仿真模型，boost電路電感值為 10 mH，電容值為40 μF，負(fù)載電阻值為30 Ω，算法設(shè)置為ode45（Dormand-Prince），仿真時(shí)間為 0.6 s，最大步長為 0.01。本實(shí)驗(yàn)不僅比較了傳統(tǒng)電壓擾動(dòng)法和本文提出的改進(jìn)型電壓擾動(dòng)法的仿真波形，還觀察分析了當(dāng)外界環(huán)境T、S分別變換及同時(shí)變化時(shí)輸出功率波形的變化。

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法及本文提出的自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測法在標(biāo)準(zhǔn)狀況25℃，1 000 W/m2下輸出功率仿真波形如圖 6所示。

圖6　傳統(tǒng)擾動(dòng)及自尋優(yōu)擾動(dòng)輸出功率波形

由圖6可知傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法約在0.02 s時(shí)跟蹤到最大功率點(diǎn)，而自尋優(yōu)擾動(dòng)法約在0.009 s跟蹤到最大功率點(diǎn)，跟蹤速度得到大幅度提高，且明顯減低了波形震蕩。

圖7所示為當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，輸出功率變化波形圖，其中圖 7（a）為光照強(qiáng)度 S保持 1 000 W/m2不變，而溫度在0.3 s時(shí)由25℃升高到40℃時(shí)仿真波形圖，而圖 7（b）是相同光照強(qiáng)度下溫度在 0.3 s降低到 15℃波形圖。圖 7（c）是溫度保持 25℃不變，光照強(qiáng)度在 0.4 s 由 1 000 W/m2降低到800 W/m2時(shí)的仿真波形，圖7（d）是在同樣溫度下光照強(qiáng)度升高到1 200 W/m2時(shí)波形。圖7（e）為溫度在0.3 s由25℃升高到40℃，而光照強(qiáng)度在0.4 s由1 000 W/m2降低到800 W/m2時(shí)的仿真波形圖。

由圖7可知當(dāng)溫度升高時(shí)，輸出功率略有下降，溫度降低時(shí)，輸出功率略有升高。光照強(qiáng)度降低時(shí)輸出功率降低很大，光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，輸出功率大幅度升高。因此溫度對(duì)功率的影響相對(duì)較小，光照強(qiáng)度對(duì)光伏電池的輸出功率影響相對(duì)較大。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測法對(duì)外界環(huán)境變化時(shí)能做出及時(shí)快速的追蹤，且波形畸變率小。

圖7　外界環(huán)境變化時(shí)自尋優(yōu)擾動(dòng)法輸出功率波形

4　結(jié)論

光能的有效利用是解決能源危機(jī)的有效措施之一，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）又是提高光能利用效率的關(guān)鍵。本文提出的電壓自尋優(yōu)擾動(dòng)觀測法融合了恒定電壓法、擾動(dòng)觀察法的優(yōu)點(diǎn)，克服以往初始電壓值給定不變的缺點(diǎn)，并結(jié)合了大步長擾動(dòng)法和小步長擾動(dòng)法，理論分析可行，并根據(jù)原理搭建了 Simulink仿真模型，驗(yàn)證了該方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、波形震蕩較小、跟蹤精度高，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］孫志松.光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的MATLAB仿真研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2012.

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Study on MPPT of self seeking optimal perturbation method

Wang Chuanchuan1，Sun Xia1，Qian Hui1，Xu Yandong2
（1.Anhui University of Science and Technology，Huainan 232000，China；2.73682 Troops，Xuzhou 221000，China）

In this paper，we first introduce the basic principle of photovoltaic cells and photovoltaic power generation system，and on this basis of traditional MPPT algorithm research and make further improvement，integration of the constant voltage method，perturbation and observation method has the advantages of，overcome the defect of the given invariant the past the initial voltage value，and a combination of long step perturbation method and the step length perturbation method，put forward a kind of improved self optimization of perturb and observe method.Through the Simulink simulation verify the the method with dynamic response speed，waveform distortion rate is small，and improve the accuracy and stability of the whole system.

photovoltaic system；maximum power point tracking；variable step size disturbance；self optimization of voltage

TM615+.2

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.07.036

安徽省淮南市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2014A1801）；安徽省國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（201510361054）

2016-01-08）

王川川（1991-），通信作者，男，研究生，主要研究方向：電力設(shè)備及系統(tǒng)維護(hù)、新能源/光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)等，E-mail：1574823142@qq.com。

孫霞（1978-），女，副教授，主要研究方向：電動(dòng)汽車及電機(jī)故障診斷/交流調(diào)速系統(tǒng)等。