光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制

摘要：最大功率點(diǎn)的跟蹤（MPPT）是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的有效手段之一，本文在分析光伏電池輸出特性的基礎(chǔ)上，討論了幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法，最后提出了改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。 敘詞：光伏發(fā)電 最大功率點(diǎn)跟蹤 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法 Abstract：The maximum power point tracking is the effective ways to improve the efficiency of Photovoltaic Array. At first ,the article analyse the Output characteristics of PV,then introduce several common ways of MPPT. At last,introduce　a improved perturbation and observation method with changing perturbation step and gets validated by simulation. Keyword：Photovoltaic power generation, Maximum power point tracking, Perturbation and observation method with changing perturbation step
1 前言

進(jìn)入二十世紀(jì)以來(lái)，隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的逐步展開(kāi)，世界各國(guó)對(duì)能源的需求急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球?qū)⒃僖淮蚊媾R能源危機(jī)，同時(shí)，大量化石能源的使用對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，其結(jié)果是全球氣候變暖。人類(lèi)要解決面臨的這些問(wèn)題，一個(gè)重要手段就是發(fā)展太陽(yáng)能等清潔的可再生能源。

太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，不產(chǎn)生任何污染和廢棄物，對(duì)環(huán)境無(wú)不良影響，是一種最好的清潔能源。但目前太陽(yáng)能光伏發(fā)電還存在著太陽(yáng)電池板造價(jià)高、轉(zhuǎn)換效率低等問(wèn)題，妨礙了光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模建設(shè)和推廣。所以，如何提高太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的效率成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。光伏發(fā)電的最大功率點(diǎn)跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking，簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT）便是通過(guò)對(duì)光伏陣列的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)其輸出功率的最大化，以提高光伏電池的利用效率。

2 光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出功率是外界環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度的函數(shù)，具有強(qiáng)非線性。圖1給出了不同光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性曲線。從圖1可以看出,光照強(qiáng)度越大，光伏電池輸出功率也越大；在一定光照強(qiáng)度下，光伏電池輸出功率P和輸出電壓U是二次函數(shù)的關(guān)系。從圖1（b）的P-U曲線可以看出，每條曲線都有一個(gè)拐點(diǎn)，在拐點(diǎn)處光伏電池輸出功率將達(dá)到該光照強(qiáng)度下的最

圖1 不同光照強(qiáng)度下光伏電池的輸出特性：

（a） 不同光照強(qiáng)度下U-I曲線；

（b） 不同光照強(qiáng)度下P-U曲線。

大值，該點(diǎn)即稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)。從曲線也可以看出，最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓是唯一的，也正是由于光伏電池的這個(gè)特點(diǎn)使得MPPT的實(shí)現(xiàn)成為可能。

圖2是不同溫度下光伏電池的輸出特性曲線。從圖2可以看出，當(dāng)外界溫度變化時(shí)，光伏電池輸出特性曲線也發(fā)生改變，從而使最大功率點(diǎn)漂移，這將影響最大功率點(diǎn)跟蹤控制的精確性。所以，實(shí)際應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)MPPT必須綜合考慮各種復(fù)雜外界因素的影響。

圖2 不同溫度下光伏電池的輸出特性：

（a）不同溫度下U-I曲線；

（b）不同溫度下P-U曲線。

3 幾種MPPT算法

近年來(lái)，專(zhuān)家學(xué)者在MPPT算法方面做了大量的研究工作，提出了各種控制算法。目前實(shí)際應(yīng)用較多的MPPT算法有：固定電壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法和擾動(dòng)觀測(cè)法等。

3.1 固定電壓跟蹤法

從圖1（a）光伏電池輸出U-I曲線可知，在一定溫度條件下，不同光照強(qiáng)度時(shí)光伏電池的最大功率點(diǎn)總是近似在某一個(gè)固定電壓Um附近，固定電壓跟蹤法就是利用這一特性，在光伏電池和負(fù)載之間通過(guò)一定的阻抗變換，使系統(tǒng)成為一個(gè)穩(wěn)壓器，光伏電池始終工作在固定電壓Um附近，從而得到最大功率輸出。

固定電壓跟蹤法的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單方便，可靠性和穩(wěn)定性高。該控制方法的缺點(diǎn)是忽略了外界溫度對(duì)光伏電池輸出特性的影響，當(dāng)溫度變化較大時(shí)控制精度較差。

3.2 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法是通過(guò)比較光伏電池的增量電導(dǎo)和瞬時(shí)電導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。由光伏電池陣列的P-V特性曲線可知，最大值Pmax處的斜率為零，所以有以下公式：

這種跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生變化時(shí)，能夠快速跟蹤其變化，適合于天氣變化快的場(chǎng)所,但它對(duì)硬件的要求較高。

3.3 擾動(dòng)觀測(cè)法

擾動(dòng)觀測(cè)法的控制流程圖如圖3所示。其基本控制過(guò)程為：首先，讓光伏電池按照給定的參考電壓值Upv輸出，測(cè)量此電壓時(shí)的輸出功率，即P（K-1），然后再在這個(gè)電壓的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)電壓擾動(dòng)ΔU，測(cè)量疊加擾動(dòng)電壓后的輸出功率，P（K）。比較P（K-1）和P（K）的大小，如果P（K）大于P（K-1），表明疊加電壓擾動(dòng)后輸出功率增加，所給電壓擾動(dòng)方向是使輸出功率增大方向，則繼續(xù)施加相同方向的擾動(dòng)，下一時(shí)刻電壓為Upv=Upv+ΔU；如果P（K）小于P（K-1），表明疊加電壓擾動(dòng)后輸出功率減小，所給電壓擾動(dòng)方向不是使輸出功率增大方向，則給反方向的擾動(dòng)，下一時(shí)刻電壓為Upv=Upv-ΔU，這樣循序漸進(jìn)，使輸出功率逐漸逼近光伏電池的最大功率點(diǎn)。

圖3 擾動(dòng)觀測(cè)法控制流程圖

擾動(dòng)觀測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，在光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤中廣泛應(yīng)用。但是，這種跟蹤方法在系統(tǒng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)附近時(shí)，擾動(dòng)將使系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近振蕩，造成一部分功率損失；而且電壓初始值和跟蹤步長(zhǎng)的選取對(duì)跟蹤速度和精度有較大的影響，ΔU較小時(shí)光伏電池可能會(huì)長(zhǎng)時(shí)間工作于低功率輸出區(qū)，而且響應(yīng)速度慢，不能快速跟蹤光照強(qiáng)度的變化；ΔU較大時(shí)將加大最大功率點(diǎn)附近的振蕩。

4 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的實(shí)際效果，進(jìn)行了仿真研究。

在Matlab環(huán)境下，利用simulink工具，建立了光伏陣列的通用仿真模型和MPPT仿真控制系統(tǒng)[5]。
⑴光伏電池的簡(jiǎn)化等效電路如圖5所示。

其中：U-光伏電池輸出電壓，Iph-光生電流，Id-二極管結(jié)電流，Rs-串聯(lián)等效電阻，q-單位電荷（1.6×10-19），A-理想因子，K-玻爾茲曼常數(shù)，T-光伏電池表面溫度，I0-光伏電池暗飽和電流, KI-短路電流溫度系數(shù)，s-日照強(qiáng)度。

根據(jù)以上數(shù)學(xué)模型，結(jié)合SP75光伏電池模塊組標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)試參數(shù)[7]，分別搭建Iph、I0、Uoc、Vt、K1仿真子模塊，最后根據(jù)式（4）組合成光伏電池仿真模型如下：

圖6 光伏陣列PV仿真模型

利用此模型建立最大功率點(diǎn)跟蹤算法的仿真系統(tǒng)見(jiàn)圖7，MPPT控制算法由M文件編寫(xiě)的S函數(shù)中實(shí)現(xiàn)。

圖8 （a）固定步長(zhǎng)擾動(dòng)算法仿真波形；

（b）變步長(zhǎng)擾動(dòng)算法仿真波形

由仿真結(jié)果可知，采用固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法，當(dāng)步長(zhǎng)較大時(shí)雖然動(dòng)態(tài)跟蹤速度快，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)后輸出功率有一定波動(dòng)，不夠穩(wěn)定。而采用變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法則不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，而且穩(wěn)態(tài)誤差小。

6 結(jié)論

本文對(duì)常規(guī)擾動(dòng)觀測(cè)法加以了改進(jìn)，提出了一種基于輸出特性曲線變化率的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，表明變步長(zhǎng)擾動(dòng)控制方法能同時(shí)保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

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