基于光伏陣列的改進(jìn)型最大功率點(diǎn)追蹤算法研究

溫勃 王福忠

摘要：光伏陣列是光伏系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備，光伏陣列中的最大功率點(diǎn)追蹤影響光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。對光伏陣列輸出特性曲線進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上分析了幾種傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤算法的適用范圍和各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出一種將變步長電導(dǎo)增量法與牛頓插值法相結(jié)合的算法。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)擾動觀測法及電導(dǎo)增量法相比，改進(jìn)型最大功率點(diǎn)追蹤算法可對最大功率跟蹤點(diǎn)輸出的功率波形振動幅度高效控制，具有追蹤速度快、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光伏陣列；最大功率追蹤；變步長電導(dǎo)增量法；牛頓插值法

DOIDOI：10.11907/rjdk.173343

中圖分類號：TP312

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2018）008-0110-04

英文摘要Abstract：The photovoltaic array is the power generation equipment in the photovoltaic system，and the maximum power point tracking in the photovoltaic array affects the efficiency of the photovoltaic system.For this problem，first on the PV array output characteristic curve is analyzed，then based on this，the applicability of several traditional maximum power point tracking algorithms and their advantages and disadvantages are analyzed，and the combination of a variable step incremental conductance method and Newton interpolation algorithm are proposed，finally simulation model is establishedaccording to this algorithm.The simulation results prove that compared with the traditional perturbation and observation method and incremental conductance method，the improved maximum power point tracking algorithm can track the maximum power point of the output efficiently，and it has faster tracking speed and good adaptability to the environment.

英文關(guān)鍵詞Key Words：photo voltaic power array； maximum power tracking；conductance increment method；Newton-interpolation algorithm

0 引言

太陽能作為一種新型的可再生能源，其優(yōu)點(diǎn)是可再生、無污染、來源廣等，光伏發(fā)電技術(shù)[1]已是全球大力發(fā)展的新能源技術(shù)。光伏電池發(fā)電輸出擁有鮮明的非線性特點(diǎn)，若光伏陣列運(yùn)行環(huán)境發(fā)生變化，光伏陣列的最大功率點(diǎn)也會隨之產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。針對光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，可使光伏發(fā)電效率得到大幅度提升。最大功率點(diǎn)跟蹤算法較多，重點(diǎn)有擾動觀測法、電導(dǎo)增量法和Newton插值法[2]。電導(dǎo)增量法不足之處是步長固定，若步長太小，光伏陣列預(yù)料結(jié)果便很容易停留在低功率輸出區(qū)域，若太大，所檢測出的結(jié)果又容易產(chǎn)生大幅度震動。擾動觀測法在外界因素突然產(chǎn)生轉(zhuǎn)變的情況下（比如光線強(qiáng)度突然產(chǎn)生轉(zhuǎn)變）自身適應(yīng)能力非常差，致使所跟蹤的最大功率點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)相比偏差很大。而且因?yàn)樵摲椒ㄊ腔凇皵_動”進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以這樣的偏差會使光伏陣列輸出功率從最大功率點(diǎn)位置處出現(xiàn)震動，進(jìn)而消耗非常多的能量，使能量轉(zhuǎn)換率下降。

本文提出一種變步長電導(dǎo)增量法與Newton插值法相結(jié)合算法，這種算法能有效抑制震蕩幅度，環(huán)境適應(yīng)性較好。根據(jù)算法原理建立模型，將所得結(jié)果和擾動觀測法以及電導(dǎo)增量法進(jìn)行比對實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，改進(jìn)的MPPT算法針對最大功率跟蹤點(diǎn)輸出功率波形的震動幅度可掌控，能很好地適應(yīng)環(huán)境變化，且擁有非?？斓母櫵俣?。

1 PV 陣列模型分析

圖1所示為光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型。將光伏電池看成電流源的非線性元件，產(chǎn)生一種和光照強(qiáng)度成正相關(guān)的電流，其中電阻Rs及Rsh表示光伏電池功率消耗的等值電阻。

光伏電池在一定光照強(qiáng)度和溫度條件下有一個(gè)最大功率點(diǎn)，電流以及電壓會伴隨光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度與用戶側(cè)負(fù)荷的變化而變化，使最大功率點(diǎn)的輸出功率非常不平穩(wěn)，因此光伏系統(tǒng)如果不進(jìn)行最大功率點(diǎn)追蹤其輸出效率會相對低下。

由于圖 2、圖3中光伏電池 P-U 特性曲線與二次曲線圖形相似，因此分兩種情況進(jìn)行探討：①若電池工作電壓比最大功率點(diǎn)電壓小，則所輸出的功率與電池端的電壓呈正比關(guān)系；②若電池工作電壓比最大功率點(diǎn)電壓大，則所輸出功率與電池端的電壓呈反比關(guān)系。綜上所述，最大功率點(diǎn)跟蹤實(shí)際上便是對電池端電壓U的控制[4]。

2 傳統(tǒng)最大功率點(diǎn)追蹤方法

2.1 電導(dǎo)增量法

因此，公式（6）即為太陽能電池最大功率點(diǎn)輸出必須符合的條件[6]。即：①當(dāng)工作點(diǎn)在 MPP左側(cè)時(shí)，在工作點(diǎn)處應(yīng)符合 d P/ d U>0；②當(dāng)工作點(diǎn)與MPP重合時(shí)，在工作點(diǎn)處應(yīng)符合 d P/ d U=0；③當(dāng)工作點(diǎn)在 MPP右側(cè)時(shí)，在工作點(diǎn)處應(yīng)符合 d P/ d U<0。電導(dǎo)增量法優(yōu)點(diǎn)是太陽能電池組件特性與參數(shù)之間沒有關(guān)系，所以可順應(yīng)陽光照射強(qiáng)度迅速轉(zhuǎn)變。這種方法電壓波動較小，擁有很高的控制精度，但缺點(diǎn)是運(yùn)用起來非常繁瑣，容易受到其它訊號干擾進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)誤動作。

2.2 擾動觀察法

擾動觀察法相比其它方法比較簡單，對設(shè)備要求不高，是目前運(yùn)用最為普遍的MPPT算法。該方法原理是：對光伏陣列中輸出電壓進(jìn)行不斷擾動，觀測功率伴隨電壓變化的趨勢，依照這個(gè)趨勢不斷增加或者減小擾動，使電壓不斷向 MPP處電壓靠近，進(jìn)而保證光伏電池在最大功率點(diǎn)處工作。其中 D（k） 是開關(guān)管在當(dāng)前運(yùn)行周期的占空比， D（k +1） 是開關(guān)管下個(gè)運(yùn)行周期的占空比，Dk表示開關(guān)管占空比的轉(zhuǎn)變量，即擾動步長[7]。

盡管擾動觀察法具有原理簡單且便于操作的優(yōu)點(diǎn)，但這種算法對外界因素的抗干擾能力非常弱，自身適應(yīng)能力較差，致使所跟蹤到的最大功率點(diǎn)和現(xiàn)實(shí)相比有很大偏差。這種方法原理是基于“擾動”，這樣的擾動會使光伏陣列輸出功率在最大功率點(diǎn)處左右震動，進(jìn)而消耗能量，使能量轉(zhuǎn)換率下降。

2.3 Newton插值法

根據(jù)光伏電池輸出特性曲線，若系統(tǒng)工作在恒壓區(qū)，可近似認(rèn)為電壓 U 和 MPP 電壓 Um相等。依據(jù)多項(xiàng)式逼近思想，用幾處工作電壓的多項(xiàng)式逼近，最終得到最大功率點(diǎn)位置附近的輸出功率?；谶@種數(shù)值測算思維，產(chǎn)生了改進(jìn)的 MPPT 算法，常用的有Lagrange插值法及Newton 插值法[8]。

基于二次插值[9-10]思想，Newton 插值法運(yùn)用二次逼近速度能迅速對最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，與其它算法相比，在精度以及速度上都具有明顯優(yōu)勢。Newton 插值 MPPT算法原理：搜集系統(tǒng) MPP 處周邊3個(gè)工作點(diǎn)（U0，P（U0））、（U1，P（U1））、（U2，P（U2）），運(yùn)用 Newton 插值法針對光伏電池 U-P 曲線[11-13]進(jìn)行構(gòu)造。表1所示為Newton 插值法二階差商。

分別采用改進(jìn)型 MPPT算法、擾動觀察法追蹤控制光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)，占空比依照 MPPT 算法調(diào)節(jié)PWM輸出[15]，之后控制開關(guān)管的開通和斷開，繼而完成最大功率點(diǎn)追蹤。

系統(tǒng)形成PWM波形的開關(guān)頻率f=20kHz，仿真參數(shù)設(shè)置為：Pmax=175W，表示光伏電池陣列最大功率；Im=4.96A，表示MPP處電流；Um=35.1V ，表示最大功率點(diǎn)位置電壓；Uoc=44.3V，表示開路電壓； Isc=5.2A，表示短路電流。電路中不同元件參數(shù)設(shè)置為：C2=40u F，表示電容； L=0.1m H，表示電感；C=4000u F，表示電容； R=10Ω，表示電阻。

分別應(yīng)用擾動觀察法、電導(dǎo)增量法以及改進(jìn)型MPPT算法建立最大功率追蹤點(diǎn)仿真模型，圖6為仿真結(jié)果。

圖6為擾動觀測法、電導(dǎo)增量法、變步長電導(dǎo)增量法+Newton插值法追蹤最大功率輸出曲線。通過圖6仿真波形能夠得出，擾動觀測法波動較為明顯，電導(dǎo)增量法盡管波動較小，但仍存在部分波動，改進(jìn)型 MPPT 在MPP處的波動最小。對于追蹤至最大功率點(diǎn)所用時(shí)長，擾動觀測法為0.4s，電導(dǎo)增量法為0.13s，改進(jìn)型 MPPT為01s，說明改進(jìn)型 MPPT追蹤速度更快、精度更高。與傳統(tǒng)方法相比，本文所提改進(jìn)型 MPPT 控制方式效果更好。

當(dāng)陽光輻射度產(chǎn)生突變時(shí)，圖7所示為仿真電導(dǎo)增量法與改進(jìn)型MPPT 算法的 MPP 處追蹤波形，將照射強(qiáng)度設(shè)定從600W/m2突變至 800W/m2，對兩個(gè)圖中波形進(jìn)行對比，得出以下結(jié)論：雖然兩種方法都能實(shí)現(xiàn)對光伏陣列的MPPT控制，但改進(jìn)型MPPT在最大功率點(diǎn)處振動的抖動幅度和電導(dǎo)增量法相比明顯小些，即當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)，其對于環(huán)境的自適應(yīng)能力更強(qiáng)。

5 結(jié)語

本文提出的變步長電導(dǎo)增量法與Newton插值相結(jié)合的MPPT算法不僅能快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)追蹤，還能有效抑制光伏系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)處的振蕩等問題，使光伏陣列平穩(wěn)工作于最大功率點(diǎn)處。各種實(shí)驗(yàn)測試顯示，該算法擁有非常強(qiáng)的適應(yīng)能力，可迅速調(diào)整并追蹤到光伏陣列最大功率點(diǎn)，具有很好的穩(wěn)態(tài)性和動態(tài)性。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）