固定电压法结合扰动观察法在光伏系统MPPT中的应用

刘晋芳 樊建升

（山西焦煤集团有限责任公司，太原 030024）

光伏发电系统的输出功率受光照强度和环境温度影响较大，为了获取最大的光伏输出功率，最大限度的利用太阳能资源，需要引入最大功率点跟踪（MPPT）技术[1-3]。目前，国内外的MPPT 控制算法[4-6]主要有固定电压法、扰动观测法、电导增量法和模糊控制法等[7-9]。

扰动观察法，是工程上实现MPPT 技术的常用方法之一，具有原理简单，被测参数少，易于实现等优点[10]，但跟踪时间较长，稳态振荡现象明显是其不足[11]。固定电压法[10]，具有控制方法简单，系统工作电压稳定性良好，但精度较差，设置系统工作电压较难，当工作系统外界环境条件突然改变时最大功率点变化适应性较差无法满足稳定性的要求等明显不足[12]。

本文综合固定电压法和扰动观测法的优缺点，提出一种新的方法，即将固定电压法和扰动观测法相结合，开始跟踪时采用固定电压法，快速到达最大功率点附近，当接近最大功率点发生振荡时，改换用扰动观测法，提高跟踪精度，减少系统振荡。将两种方法结合起来，提高了跟踪速度，并减小功率振荡。本文在Matlab/Simulink 平台上搭建了主系统电路及控制系统的仿真模型，对两种方法进行了比较，最终在实验平台上验证所提出的控制算法可以快速、准确跟踪光伏电池的最大功率输出，提高了光伏电池的能源利用率。

1 光伏阵列特性

输出特性方程为

式中，I为光伏电池的工作电流；V为光伏电池的工作电压；Iph为光电流；Ios为反向饱和电流；Rsh为串联电阻；Rs为并联电阻；A为二极管参数；K为波尔兹曼常数；q为电子电荷量；T为光伏电池温度。

为了更加贴近实际情形，便于工程实用，需要将难以准确测量参数的理想光伏电池特性方程实用化和工程化，充分考虑温度和光照强度等环境因素变化时对光伏电池输出特性的影响，所以必须进行修正，修正结果如下所示：

其中，

式中，α表示电流温度修正系数；β表示电压温度修正系数。建议值：α= 0.0012Isc，β= 0.005UOC。

以无锡尚德生产的光伏电池板参数作为仿真基本参数，短路电流8.45A，开路电压37.2V，最大功率点电压29.8V，最大功率点电流8.0A。图1和图2分别是光伏电池输出的P-U特性曲线。由图1可知，当环境温度相同时，随着光照强度的增加，光伏输出功率逐渐增加，同一条曲线仅有一个最大功率点。由图2可知，当光照强度不变时，随着温度的升高开路电压值逐渐减小。

图1 温度一定时P-V 曲线

图2 光照强度一定时P-V 曲线

2 MPPT 控制算法

光伏阵列的输出特性受外界环境（主要有光照强度、温度和带载情况等）的影响较大，造成能源利用率低、系统稳定性差以及经济效益低等诸多弊端。因此，最大功率点跟踪（MPPT）技术是太阳能发电研究领域的关键技术和重要内容。

恒定电压法具有控制方法简单，实现容易，只需要采样单一的光伏输出电压即可，将其与系统所设置的参考电压值进行比较，经PI 控制器后输出PWM 信号驱动DC/DC 电路，就可以调节占空比使光伏阵列的输出电压等于指定的电压值。但是，恒定电压法是一种开环控制方法，具有控制易实现，跟踪速度快等显著优点，但是跟踪精度不够，是一种近似估算的方法，并且无法对环境变化做出响应，使其应用受到限制，因此经常采用恒定电压法与其它闭环控制算法相结合，这样既能保证具有较高的跟踪精度，又不失去较快的跟踪速度的要求，这一方法被广泛采用。

本文结合固定电压法和扰动观测法，在功率跟踪初始时刻，先采用固定电压法快速到达最大功率点附近，可以实现跟踪的快速性，而后采用扰动观测法进一步精确寻优，可以保证系统实时跟踪，减小系统功率振荡，增加能源利用率。固定电压法结合观测扰动法的控制流程如图3所示。

图3 控制算法流程图

图3表示控制算法流程图，首先采集光伏电池出口电压和电流，电压变化在ΔU范围之内时，采用占空比扰动观测法，通过改变占空比步长Δd，逐步寻找最大功率点。当电压变化范围超出ΔU时，采用固定电压法，由最大功率点处的电压Um和开路电压Uoc之间的近似线性关系，即Um=kUoc，其中k取0.7～0.8，计算得到ΔD，由此可快速找到新的最大功率工作点。

3 光伏接口变换器设计

由于负荷需要的电压大于光伏电池两端输出的电压，因此在系统中需要加入DC/DC 变换电路即Boost 变换电路。Boost 变换电路采用全控型开关管IGBT，并在其输入端串联一个电感L，近似于电流源电路，输出端并联一个电容C，近似于电压型负载，并起到稳压的作用，图4为光伏Boost 电路图。

在Boost 电路中，输出电压与输入电压的关系如下：

式中，D是占空比，D的大小是由PWM 输出信号控制的，如图5所示。

图4 光伏Boost 电路原理图

图5 Boost 控制框图

经MPPT 计算后，得到最大功率点处电压的参考值，电压和电流经过PI 控制后输入PWM 调制，得到控制Boost 变换电路中IGBT 的控制信号。

4 仿真分析

为了验证控制策略的有效性，搭建了如图6所示的光伏发电系统。图6是本文搭建的一种太阳能光伏发电系统，它是由太阳能光伏电池，DC-DC 变换器，MPPT 控制器以及负载构成。

图6 太阳能光伏发电系统结构图

仿真参数的设置：Sref=1000W/m2和Tref=25℃是标准状态下光强和温度的参考值，开路电压为37.2V，短路电流为8.45A，最大功率点的电压为29.8V，最大功率点的电流为8.0A，最大输出功率235W。

设置光伏电池的光照强度1000W/m2，环境温度为25℃，图7表示采用扰动观察法和固定电压法结合观测扰动法得到的光伏电池最大功率跟踪效果曲线。

如图7所示，采用扰动观察法时，功率输出振荡较大，跟踪时间在0.05s 左右；采用固定电压结合扰动观测法时，功率输出振荡减小，跟踪时间在0.01s 左右。

图7 光伏电池输出波形

对比两种方法，我们不难看出，采用扰动观察法追踪最大功率点，振荡幅度较大，跟踪时间较长；采用固定电压结合扰动观测法追踪最大功率点，可以减小跟踪过程的功率振荡，降低功率损失，兼具计算速度和跟踪稳定性，具有良好的跟踪效果。

5 实验

本文在仿真基础上，为进一步验证文中控制策略的正确性，搭建了光伏发电实物平台，实验参数如下：系统采用设计的光伏接口变换器，光伏电池侧电容C2=470μF，电感L=0.5mH，负载侧电容C1=47μF，负载为阻性，开关频率为20kHz。

如图8所示，应用扰动观测法时，系统达到稳态运行大约需要40ms 左右，寻找最大工作点波动较大，最大电流超调量为70%。而应用固定电压法结合扰动观测法后，系统达到稳态运行大约需要10ms，同前一种方法比较，跟踪时间大大降低，最大电流超调量降为30%，且振荡减少，如图9所示。

由上分析可知，应用改进的控制方法后，系统进行最大功率跟踪时，起动响应加快，振荡减少，功率跟踪效果明显，能够根据环境实时调整，在最大功率点处稳定运行。实验结果证明本文提出的改进MPPT 控制策略在实际环境运行过程中的正确性及有效性。

图8 扰动观测法

图9 提出的固定电压法法结合观测扰动法

6 结论

本文提出的一种新的MPPT 算法—固定电压法结合扰动观测法，该方法不仅克服了固定电压法在外界环境改变时无法继续实施最大功率跟踪的不足，而且也弥补了扰动观测法追踪速度慢、系统功率振荡的缺点。当外界环境因素发生改变时，先根据固定电压法快速调整占空比到最大功率点附近，然后采用扰动观测法进一步精确求解，从而使光伏发电系统的动态和稳态性能得到很大的提高。仿真和实验验证了所提出策略的正确性和实用性。

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