一種基于MPPT技術的太陽能取電改進算法

楊蓬 侯松 李坤 張浩

（山東智洋電氣股份有限公司，山東淄博255000）

0 引言

太陽能是一種可再生能源，具有取電便利、無污染、可再生和經濟性高等特點，因而得到了廣泛應用。圖1所示為利用太陽能板和蓄電池搭建的直流供電系統(tǒng)原理框圖，其中太陽能板利用半導體材料將光能轉換成電能，并給蓄電池充電，保證用電負載工作；太陽能控制器起到太陽能取電控制、蓄電池充電控制及狀態(tài)監(jiān)測、負載供電控制及保護等重要作用。

圖1 太陽能取電原理框圖

但由于受到光照強度、溫度和負載設備的影響，太陽能板的輸出特性表現(xiàn)為非線性模式，可以輸出不同的電壓和不同的功率。而為了提高太陽能利用率，需要尋找當前狀態(tài)下的最大輸出功率點，即實現(xiàn)最大功率點跟蹤（MaximumPowerPoint Tracking，MPPT）。

本文通過對太陽能板的研發(fā)、控制和大量實驗，找到了一種基于擾動觀察法的改進算法，該算法突破了以往難以確定步長的瓶頸，大大提高了蓄電池充電效率，在保證蓄電池性能和負載正常工作的情況下，更好地實現(xiàn)了最大功率點追蹤。

1 MPPT技術研究

1.1 光照強度的影響

如圖2所示，在環(huán)境溫度一定時，太陽光照強度越大，太陽能板最大輸出功率越大，因此最大輸出功率點跟光照強度有直接關系。

1.2 環(huán)境溫度的影響

如圖3所示，在光照強度為1000W/m2時，環(huán)境溫度越高，最大輸出功率越小，因此最大輸出功率點跟環(huán)境溫度有很大關系。

1.3 復雜環(huán)境的影響

如圖4所示，在浮云遮擋、電池板表面灰塵等多種情況下，太陽能板的輸出功率特性曲線變得復雜，呈多極值點，因此影響當前輸出功率的因素很多，需要尋找當前狀態(tài)下的最大功率點。

圖2 相同環(huán)境溫度、不同光照強度下最大功率點對比

圖3 相同光照強度、不同環(huán)境溫度下最大功率點對比

圖4 復雜情況下輸出功率

2 優(yōu)化的擾動觀察法工作原理

傳統(tǒng)擾動觀察法通過檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算出太陽能陣列的輸出功率，并實現(xiàn)對最大功率點的追蹤。將擾動電阻R和MOSFET串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過改變MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此產生了電流的擾動。同時，光伏電池的輸出電流、電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽能光電板輸出功率增加，下一周期繼續(xù)朝同一方向擾動；反之，朝反方向擾動。如此反復進行著擾動來使太陽能光電板輸出達到最大功率點，其算法流程如圖5所示。

圖5 擾動觀察法流程圖

經過研究和測試，在擾動觀察法基礎上做了優(yōu)化和改進。引入一個參考電壓，通過比較結果對參考電壓進行調節(jié)，得到距離最大功率點最近的電壓值。而前文所述擾動觀察法步長難以確定的問題，可以通過在每個MPPT周期中，根據采集到的太陽能電池輸出電壓與電流，控制算法計算相鄰兩次采集量的變化量與變化方向，再重新調整步長值，改變下次占空比，從而在最短時間內使轉換電路輸出電壓達到最大功率點處電壓。

對于后級的充電電路，常見的基本電路結構有三種，BUCK、BOOST和BUCK-BOOST，其中最常用的是BUCK電路。以BUCK為例，作用有兩個，一個是改變電池板電壓，使之工作在最大功率點（MPP）；另一個是控制輸出電壓，使之與蓄電池的充電曲線一致，在保護蓄電池的基礎上實現(xiàn)能量最大化的利用。

經過優(yōu)化后的擾動觀察法，除了能提高跟蹤速率外，還能有效地減少穩(wěn)態(tài)震蕩，及時跟蹤到最大功率點，提高充電效率和太陽能的利用率。

3 仿真試驗和結論

通過PSIM仿真實驗，搭建由PVS1000光伏模擬器、太陽能控制器和3節(jié)12V串聯(lián)蓄電池組成的實驗平臺。設置光伏模擬器Pmax=50W，Um=22.5V，Im=4A，采樣時間t=3min，每次充電實驗是在蓄電池初始狀態(tài)相同的條件下進行的。首先用光伏模擬器模擬光照強度變化緩慢的晴天環(huán)境，實驗結果如圖6所示。

圖6 晴天環(huán)境模擬

再用光伏模擬器模擬變化劇烈的多云天氣進行實驗（模擬光照強度均按1000W/m2到1200W/m2再到600W/m2規(guī)律變化），結果如圖7所示。

圖7 多云環(huán)境模擬

由此可以得出，在充電電壓相同的情況下，MPPT充電系統(tǒng)比普通充電方式電流大；圖6與圖7的充電電壓曲線顯示，MPPT充電系統(tǒng)比普通充電方式用時分別縮短了50min與34min，因此MPPT充電系統(tǒng)比普通充電方式用時平均縮短了42min，充電效率提高了約22%。

4 結語

實驗表明，本文設計的基于MPPT技術的改進算法能大大減少最大功率點追蹤時間，保證電池性能及負載正常使用的情況下，快速尋找最大功率點，大大提高太陽能利用率。