基于恒定电压优化的光伏系统MPPT控制方法

张新亮

（南通纺织职业技术学院 江苏 南通 226007）

太阳能作为一种可再生的能源已经日益受到世界各主要发达国家的重视，而光伏发电在未来将成为解决能源危机和环境问题的有效手段之一。为了使光伏发电系统的能量产出最大化，通常会使用MPPT（最大功率点跟踪）技术来控制光伏发电系统。在众多的MPPT技术中，扰动观察（P&O）法[1]是最常使用的方法，因为它控制结构简单，需要的测量参数较少。这种算法是通过扰动可变控制，然后比较扰动后PV电源的瞬时输出值与之前的值，但是在MPP过程中会存在一定范围内的扰动和波动；扰动观察法的另一个缺点是：在日照剧烈变化的情况下，有可能失去对光伏器件MPPT的控制能力。电导增加法[2]是根据d I/d V和I/V之间的关系来调整工作点电压从而实现最大功率跟踪。它的原理是：在最大功率点（MPP）时，PV的输出功率与电压的微分值是零。这种算法的优点是在最大功率点处没有波动（静态时）。爬山法[3]也是光伏发电系统最大功率点跟踪常用的方法。它很简单，但是收敛的速度太慢。恒定电压法是一种最简单的最大功率跟踪方法，其本质就是设定一个恒定电压，在跟踪过程中，输出电压不断跟踪该电压值进而实现最大功率跟踪，但是其跟踪效率低、输出效率低、浪费严重。综述，这些方法都存在缺点，很难在自然环境变化的情况下快速、准确地跟踪实际最大功率点。

文中提出了一种基于改进型恒定电压算法的光伏发电系统的最大功率跟踪策略。这种方法能够在外部环境变化的情况下，通过对温度、日照度、反向饱和电流进行综合补偿，快速、有效的追踪实际最大功率点。

1 优化电压MPPT算法的工作原理

恒定电压法是一种最简单最常用的MPPT方法，当温度保持恒定的情况下，光伏阵列在最大功率点处的工作点基本固定在某一个电压值附近，即光伏阵列的最大功率点电压Um和开路电压Uoc存在一种近似的线性关系，两者之间存在的线性关系可用关系式Um=k Uoc表示。其中k是一个比例常量，在照度较高的情况下，文献[4]给出了一个具体的数值0.76，记为Um=0.76Uoc。当光伏阵列的输出电压始终在Um值附近，就可以近似地保证光伏阵列的输出功率在最大功率点附近，这种方法即为恒定电压法。

这种控制算法原理简单，易于实现，系统稳定性高，并且不会出现振荡现象，具有较好的稳定性。但是由于该控制策略基于光伏阵列的最大功率点电压和开路电压之间的关系是近似的线性关系，存在着一定的误差，系统跟踪到的工作点也不是真正的最大功率点，会产生一定程度上的偏移，而且当温度变化较大时，产生的偏移会增大，所以恒定电压法不能保证光伏阵列的输出功率始终工作在最大功率点处，会使光伏阵列的效率降低，造成较大的能量损耗。

针对传统恒定电压法的缺点，本文通过优化输出电压实现最大功率跟踪。所实现的优化电压算法如下：首先，假定恒定近似优化电压系数为0.76，然后通过仿真找出温度、照度、二极管品质因子和反向饱和电流对优化电压系数的影响，最后确定实际的优化电压系数。当然该实现的算法也必须首先得到光伏组件实际的n和Io值。

首先假设优化电压系数为K=0.76，图1工作环境温度为-30℃，照度由100 W/m2变化到1 kW/m2条件下得到的一组电压和功率曲线。曲线显示了假设优化电压系数K=0.76时的最大功率输出曲线P′max，并和实际的最大功率输出曲线Pmax进行了比较，由图可知该近似系数和实际系数的输出仍有较大的误差，该误差受到温度、照度、n和Io的影响，所以要实现最大功率跟踪就必须分析上述因素对优化电压系数的影响。

图1 K=0.76时的输出P′max与实际的P max输出的比较Fig.1 P-I characteristics and draws a comparison between the P max curve and the P′max curve at K=0.76 under the known n and Io conditions

2 恒定电压优化算法在MPPT中的应用

2.1 温度的优化补偿

图2显示了同一块光伏组件，在不同温度情况下的Pmax和P′max曲线，由图可知温度对优化输出电压系数有非常大的影响，即优化电压系数的温度补偿是必不可少的，通过仿真得到的温度补偿系数如式（1）。

图2 在不同温度情况下P max和P′max输出曲线Fig.2 P maxcurve and P′max curve under different temperature conditions

2.2 日照度的优化补偿

图3 显示了同一块光伏，在不同照度情况下的Pmax和Pm′ax曲线，由图可知照度对优化输出电压系数也有较大的影响，即优化电压系数的照度补偿是必不可少的，通过仿真得到的照度补偿系数如式（2）。

图3 在不同照度情况下P max和P′max输出曲线Fig.3 P maxcurve and P′max curve under different radiation conditions

2.3 反向饱和电流的优化补偿

图4显示了同一块光伏，在经过温度和照度补偿后的Pmax和P′max曲线，由图4（a）、（b）可知，在照度相同的情况下，不同的n和Io对优化输出电压系数的影响是不同的；图4（c）、（d）可知，在温度相同的情况下，不同的n和Io对优化输出电压系数的影响也是不同的，所以优化电压系数的n和Io补偿是必不可少的。通过仿真，反向饱和电流补偿系数如式（3）所示。

图4 经过温度和照度补偿后的P max和P′max输出曲线Fig.4 P max curve and P′max curve after temperature and radiation repair

仿真证明n对优化电压输出系数没有太大的影响，因此综合温度、照度和反向饱和电流值补偿后的优化电压系数为式（4）所示。

Kp（V）=0.76+ΔKSj（V）-ΔKT（V）+ΔKIo（V）（4）

其中，Kp（V）为经过综合补偿后得到的优化电压系数；ΔKSj（V）为优化电压的照度补偿系数；ΔKT（V）为优化电压的温度补偿系数；ΔKIo（V）为优化电压反向饱和电流补偿系数。

3 实验证明

3.1 实验系统的创建

实验系统的原理图在图5中给出。实验系统的构成：光伏组件、DC/DC电路、直流负载、蓄电池、控制器等。光伏发电系统的输出具有强烈的非线性，受外界天气影响较大；同时直接将光伏与负载相连接，不但不能满足负载电压电流需求，也不能实现光伏最大功率输出，所以现代光伏发电系统一般通过控制DC/DC电路的MOSFET或IGBT的开关占空比来实现MPPT。本文主要讨论分布式的光伏发电系统的MPPT控制策略，所以负载采用直流负载[5-6]。

图5 实现的MPPT控制电路Fig.5 Proposed control circuit for maximum power point tracking

本文采用TMS320LF2407A DSP来进行控制和产生PWM波形，DC/DC电路采用Sepic电路作为MPPT控制电路，其开关器件的工作周期是由DSP基于恒定电压优化的MPPT算法计算得到的，从而使输出功率最大化。DSP能实现复杂的算法，控制Sepic变换器的开关，从而实现在各种条件下的快速响应。

3.2 实验结果讨论

在各种天气状况和变负载的情况下，输出功率如图6所示，同时和传统控制方法的输出进行了比较。图6（a）是照度逐渐上升和变负载的情况下的输出；图6（b）是照度不稳定和变负载的情况下的输出。由仿真得到的波形可以看出，该控制电路的输出效率一般都超过80%，部分照度情况下输出效率超过95%。所以这一改进在不增加硬件成本的基础上明显提高光伏输出的效率，输出动态特性有明显改善，同时算法的跟踪速度非常迅速。

图6 在变负载情况下实现MPPT控制方法的响应Fig.6 Proposed control scheme is responded under various load resistance conditions

4 结 论

上述的仿真、实验结果可以看出，在恒定电压法的基础上，实现了变电压MPPT算法，通过对照度、温度和反向饱和电流对优化输出电压影响的分析，利用综合补偿优化了输出电压。所实现的功率、电压双闭环控制方法明显提高了光伏输出的效率，输出动态特性也有明显改善，同时算法的跟踪速度非常迅速。

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