基于恒压插值法的光伏发电系统最大功率跟踪

陈云瑶，袁成清，和树海

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院可靠性工程研究所，武汉430063;2.武汉理工大学 船舶动力工程技术交通行业重点实验室，武汉430063)

在光伏发电系统中，光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外，还受使用环境如辐照度、负载和温度等因素的影响。在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且惟一的最大功率点(maximum power point，MPP)上。因此对光伏发电系统来说，应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转换为电能［1］。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)技术。本文详述了当前常用的自寻优扰动跟踪方法和恒压法的原理和特点，提出一种新的跟踪方法。

1 光伏电池的输出特性曲线

光伏电池在不同外部条件下的输出曲线［2］见图1，其中图1a)为同温度(T)不同日照强度(S)时光伏电池的输出P-U特性曲线;图1b)为同日照强度不同温度下光伏电池的输出P-U特性曲线。

图1 a)表明，当温度相同时，随着辐照度的增加，光伏电池的开路电压几乎不变，而短路电流，最大输出功率则有所增加，辐照度变化时主要影响光伏电池的输出电流;另外，图1b)表明，当辐照度相同时，随着温度的增加，光伏电池的短路电流几乎不变，而开路电压，最大输出功率则有所减少，温度变化主要影响光伏电池的输出电压。

2 最大功率点的跟踪方法

2.1 定电压跟踪法

定电压跟踪法是一种恒压的MPPT算法［3］，其控制简单快速，但由于忽略了温度对光伏电池输出电压的影响，因此，温差越大，定电压跟踪法跟踪最大功率点的误差也就越大。虽然定电压跟踪法难以准确实现MPPT，但其具有控制简单，迅速接近最大功率点的优点。因此电压跟踪法常与其它闭环MPPT方法组合使用，即一般先在光伏系统启动过程中采用定电压跟踪法使工作点电压快速接近最大功率点电压，然后再采用其它闭环的MPPT算法进一步搜索最大功率点。这样可以有效降低在启动过程中对远离最大功率点区域进行搜索造成的功率损耗。另外，电压跟踪法一般可以用于低价且控制要求不高的简易系统中。

2.2 扰动观测法

扰动观测法原理［4］为每隔一定的时间增加或者减少电压，并通过观测其后功率变化的方向来决定下一步的控制信号。实质上这是一个自寻优的过程，它的控制原则是参考电压的变化始终让电池输出功率朝大的方向改变［5］。

扰动观测法［6］控制方法简单，易于实现。缺点是稳态时只能在最大功率点附近振荡运行;跟踪步长对跟踪精度和相应速度无法兼顾(步长较小时响应速度慢，步长较大时跟踪精度低);由于算法本身不严谨，在日照急剧变化时容易产生误判断。而导致跟踪效果不是十分理想。

3 恒压插值法

为了达到理想的跟踪效果，本文基于定电压方法的改进跟踪方法——恒压插值法。该方法将定电压法与插值法结合，具体为首先运用恒压法去寻找和逼近最大功率运行的一段曲线(图2中U与U1之间的曲线)。然后运用适合光伏特性曲线的插值方法去拟合实际的光伏曲线而计算出最大功率点。

图2 P-U曲线示意

恒压插值法与单纯的定电压跟踪法相比，能大大提高跟踪精度和光伏系统运行效率，减少能量损耗。与单纯的插值法比，在同样精度的前提下，可以大大减少数据采集点的个数，从而简化算法，缩短跟踪时间，提高运行速度。由于采集的数据点分布在最大功率点的附近，逼近曲线的相似度有了进一步提高，从而使逼近曲线可以更加准确地反映光伏电池的P-U特性变化，对最大功率点做出准确的判断。与扰动观测法相比，由于没有电压的扰动变化，恒压插值法能够避免光伏系统振荡运行而产生能量损耗，同时还能避免光伏逆变系统误判而影响设备正常运行或损坏设备。

3.1 恒压插值法的关键因素

选取原则为选择尽量少的插值点，以保证计算速度，尽量减少光伏系统在跟踪最大功率过程中产生的能量损耗;选取的插值点应尽量逼近最大功率点，以保证插值的曲线能更好地拟合实际的光伏曲线，以提高跟踪精度。综合以上因素，可结合开路电压法及光伏电池输出特性曲线选取如图3所示的插值点。实际测量点可依据选取原则和采样时间间隔加以改变。

图3 插值点选取

图3 中，U4就是根据开路电压法确定的初始跟踪电压值U4=k×U，U1=0.7k×U，U2=0.8k×U，U3=0.9k×U，U5=1.1k×U，U6=1.2k×U，U7=1.3k×U。具体的系数k根据具体的环境选取。例如当环境温度辐照度等都比较适中时，系数可选小一点，以使得插值的精度更高;当环境温度辐照度等因素变化较大时，系数可选大一点，以保证尽可能地使得插值点过最大功率点。

3.2 插值算法的选择

由于P-V曲线本身的特性和规律，本实验采用三次样条插值法和拉格朗日插值法进行插值拟合，最终得出三次样条插值函数较其它插值函数能更好地拟合光伏特性曲线，其拟合的精度最高，能更好地提高光伏系统的效率。流程见图4，不同插值方法拟合曲线见图5。

4 Matlab仿真及结果分析

仿真参数设置:通过调节constent和timer模块的值可以很方便地设置环境温度和辐照度，实时进行跟踪。光伏系统通过可控直流源接入局部负载和电网也能更准确地进行实时仿真。系统通过MPPT模块和PWM模块调节对IGBT/Diode的输入信号，从而改变占空比D来调节输出电压和功率来完成最大功率跟踪。

图4 恒压插值算法流程

图5 插值方法结果比较

仿真结果如见图6。

图6 MPPT仿真结果(相对时间比为2 000∶1)

实际测得最大功率P=12.88 W，插值算法得最大功率Pm=12.54 W。则可算出功率损失百分比为η=︱Pm-P︱/P=2.7%。

仿真结果分析:由图6可以看出恒压插值法比扰动法跟踪最大功率点所需时间要少，能减少跟踪初期的震荡时间，从而减少功率损失，提高效率。根据试验数据计算出低辐照度功率损失，功率损失小于3%，符合最大功率点跟踪的精度要求。

5 结论

通过Matlab仿真研究得知，恒压插值法可以快速、准确地找出光伏电池的最大功率点，是一种较为理想的控制方案。现代数学科学、控制理论、电力电子技术和数字处理技术的发展，为光伏阵列的最大功率点跟踪提供了丰富的理论依据和新的思路。各种算法的有机结合、取长补短，取得了大量成果，成为今后MPPT的研究方向。随着光伏发电系统的普及，MPPT算法的简化、跟踪速度和精度以及效率的提高是未来的发展趋势。

［1］魏 乔，孙玉伟，袁成清，等.大型远洋运输船舶太阳能光伏系统的构建［J］.船海工程，2010(6):138-140.

［2］赵争鸣，刘建政，孙晓英，等.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］张 兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及逆变控制［M］.北京:机械工业出版社，2011.

［4］VEERACHARY M，SENJYU T，UEZATO K.Feed forward maximum power point tracking o f PV system using fuzzy controller［J］.IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2002，38(3):969-980.

［5］袁立强.具有MPPT功能的光伏水泵系统的控制器的研究［D］.北京:清华大学，2001.

［6］龙腾飞，丁宣浩，蔡如华.MPPT的三点比较法与登山法的比较分析［J］.大众科技，2007(2):1008-1151.