光伏发电最大功率跟踪算法的改进

尚冬梅 刘党军 柴 钰 白 云 安静宇 狄常馨

（1.西安科技大学工程训练中心，陕西 西安710054；2.国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州730000）

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题成为制约社会经济发展的瓶颈时，我们开始寻求经济发展的新动力，由于太阳能分布广泛，不受地域限制，可直接开发和利用，不需要开采和运输。无污染，能源巨大等优点无疑成为经济发展的新动力，而太阳能的主要使用方式是光伏发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件，有效吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。

1 光伏电池的原理结构及其输出特性

1.1 光伏电池的原理结构

光伏电池是能量转换的器件，有光照时，光伏电池吸收光能，电池两端出现正负电荷的累积，即“光生伏特效应”，使得光伏电池的两端产生电动势，将光能转换成电能。光伏电池的基本特性类似于二极管。具有适当能量的光子入射于半导体时，光与半导体相互作用产生电子和空穴，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式相比，没有噪声也不排出废气，是清洁的发电方式。

1.2 光伏电池的输出特性

光伏电池的伏瓦特性曲线受光强和温度的影响很大，不同温度和光强下的最大功率点也不相同，光强越强，光伏电池输出的功率也就越大，温度则相反，温度越高，输出功率反而降低，但是幅度不是很大。由于一天中光强和温度都在不断的变化之中，为了使光伏电池在任何温度和光照下都能实现最大功率输出，就需要加入最大功率跟踪控制器。

2 光伏阵列MPPT控制方法

光伏阵列对整个太阳能光伏发电系统起着很重要的作用，是电能的来源。光伏阵列的输出功率受光照强度和温度等因素的影响，是非线性的。而且，输出功率也会随着负载变化，只有当两者实现阻抗匹配时，光伏阵列才能输出最大功率，这时的工作点称为光伏阵列的最大功率点 (Max Power Point，MPP)。根据外部环境参数和负载的不同来调节光伏阵列，使其输出最大功率，这个调节过程叫做最大功率点跟踪 (Max Power Point Tracking，MPPT)。本文分析了恒定电压法，扰动观察法存在的缺点，提出了恒压法结合扰动观察法，并进行了仿真研究。

2.1 恒定电压法

恒定电压 (Constant Volitage)法，光伏阵列在最大功率输出点时的工作电压，与开路电压存在近似的比例关系。利用这个特性进行控制的最大功率跟踪控制法，即恒定电压法。

当忽略温度影响时，针对光照强度这一因素的影响，其输出特性曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线L的两侧，这说明太阳能电池输出的最大功率点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得Um数据并使太阳能电池的输出电压钳位于Um值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。

2.2 扰动观察法

不断给光伏电池的输出电压或输出电流施加微小的扰动，并判断每施加一次扰动后功率的变化方向，从而确定下一时刻电压扰动量的大小（步长）和方向。在进行寻优搜索的程序流程中引入了一个参考电压Uref，为了让U不断地跟踪Uref，在寻优过程中不断地更新，使Uref逐渐逼近相应于阵列最大功率点的电压。

扰动观察法不能迅速跟踪最大功率点，输出功率在最大功率点附近发生振荡，还会出现误判现象，且不能迅速跟踪最大功率点。

2.3 恒压法结合扰动观察法

恒压法只能保证光伏电池工作在最大功率点附近，扰动观察法在最大功率点附近有振荡现象，所以当外界环境或负载发生突变时，由恒压法实现最大功率跟踪，当系统实现恒压法控制的目标后，在最大功率点附近采用扰动观察法。步长可远小于传统扰动观察法中的扰动步长，在稳态时可有效减小系统在最大功率点附近的振荡现象。流程图如图1。

系统在k时刻光伏阵列的输出电压及输出电流分别为K和I，根据光伏阵裂的输出电压判断系统的工作状态：①如果光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压士△V之外，执行恒压控制算法;②光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压士△v之内，进行小步长的扰动观察法;③修改恒压控制算法设定的电压为K。该过程不断重复直到△p近似等于零，此时系统工作在最大功率点。

图1 恒压法结合扰动观察法流程图

图2 扰动观察法仿真波形

图3 二者结合仿真波形

3 基于MATLAB/SIMULINK的MPPT算法的仿真分析

为了验证所提方法的有效性，分别对扰动观察法与恒压法和扰动观察法相结合法进行了仿真验证，仿真对象为上面提到的太阳能电池板，标准环境参数下的检测值分别为Isc=1.02A，Voc=23.77V，Im=0.83A，Vm=16.89V。使用扰动观察法，恒压法结合扰动观察法进行最大功率跟踪。由光伏电池的输出电压、实时温度值、光照强度、短路电流等参数计算出光伏电池的输出电流，并假定负载为恒压源负载，光伏电池和负载都用Boost电路进行最大功率跟踪。下图为光强度恒定为1000W/S2同时温度为25℃时的输出波形。

可见虽然两种方法都能实现最大功率点的追踪，扰动观察法输出功率虽然稳定一个小范围之内，但是振荡严重，能量损失较大，且出现了误判现象。而恒压法结合扰动观察法有效地减少了最大功率附近的振荡，并能迅速实现最大功率的追踪。

4 结论

本文使用MATLAB/SIMULIK对光伏电池建模仿真，得到其输出特性，证明光伏电池的存在最大功率点。在深入了解各种最大功率算法的优缺点基础上，提出改进方案，即将恒压法和扰动观察法相结合，并通过MATLAB仿真，验证了所提方案有效的提高了光伏电池的效率。

［1］冯垛生，宋金莲，赵慧，等.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.

［2］罗建军，杨琦.精讲多练MATLAB[M].西安：西安交通大学出版社，2010.

［3］张森，张正亮.MATLAB仿真技术与实例应用教程[M].北京：机械工业出版社，2004.

［4］王富卿.光伏并网发电系统最大功率跟踪算法的稳定性研究[J].电网与清洁能源，2010，26(10)：66-70.

［5］王武军.太阳能光伏发电系统最大功率点跟踪研究[D].陕西师范大学，2009.

［6］Mummadi Veerachary,et al.Neural-network-based maximum-power-point tracking of coupled-inductor interleaved-boost-converter-supplied PV system using fuzzy controller[J].IEEE Trans Ind Electron,2003,50(4)：749-758.