基于功率预测的变步长扰动观测法MPPT研究

吴雷，高兴琳

(江南大学电气自动化研究所，江苏无锡214122)

基于功率预测的变步长扰动观测法MPPT研究

吴雷，高兴琳

(江南大学电气自动化研究所，江苏无锡214122)

针对光伏阵列输出特性，分析了传统扰动观测法的原理和不足，结合固定电压法和基于功率预测的变步长扰动观测法，提出了一种新的控制算法。使用Matlab/Simulink对该控制算法与传统扰动观测法进行了仿真比较。仿真结果表明该算法有效地提高了系统最大功率点跟踪(MPPT)控制的动态响应速度和稳态跟踪精度，此外，该算法对光照强度突变具有较强的抗干扰能力，能够更好地适应环境变化。

MPPT；固定电压法；功率预测；变步长；扰动观测法

面对日益加剧的能源危机和环境污染问题，发展清洁的可再生能源成为世界各国的共识。太阳能因其储量丰富、清洁无污染而得到广泛关注，光伏发电是当前利用太阳能的一种重要形式，具有良好的发展前景。

光伏电池的输出电压和输出电流会随着日照强度和电池结温的变化而呈现出强烈的非线性，而在特定的工作环境下又存在一个唯一的最大功率输出点(MPP)。为了提高光伏电池的利用率，需要实时调节光伏电池的工作点使其始终工作于MPP(或附近)，即实现最大功率点跟踪(MPPT)。常用的MPPT控制方法有固定参数法(固定电压法、固定电流法)、扰动观测法及电导增量法[1]等。

固定参数法利用光伏器件在最大功率点工作时其工作电压、电流与器件开路电压、短路电流的近似比例关系进行控制，该方法只需检测一个参数，控制简单易行，但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作，对系统运行存在干扰，且该方法所采用的控制关系是近似关系，无法实现最优控制，因此该方法控制精度低，仅适用于小功率场合。扰动观测法(P&O)[2]是根据光伏器件在最大功率点处/=0的特性进行最大功率点跟踪控制，每隔一定时间增加或减少光伏电池输出电压，观测其输出功率变化方向，从而决定下一步的控制策略。该方法由于结构简单、被测参数少、容易实现，得到广泛研究和应用；其缺点是系统总是在光伏电池最大功率点附近震荡运行，产生一定的功率损失，且跟踪步长的设定难以兼顾跟踪精度和跟踪速度，在光照等外界条件变化剧烈时容易出现误判现象。增量电导法(IC)[3]是对扰动观测法的改进，根据△P/△U=0可以得到dI/dU=－I/U，当系统满足该关系式时，表明系统工作在最大功率点，由于它不需要比较电压变化前后的功率、电压变化情况，因此可以消除扰动观测法在最大功率点附近的功率振荡现象，但该方法需高精度的检测器件，虽然理论上可以消除稳态时的功率振荡，但由于计算误差和检测元件精度限制，实际工作中还是存在一定的功率波动，且算法较复杂，需要较多的计算时间，因而对外部环境变化的响应速度变慢。

本文针对光伏阵列的输出特性，提出了一种新的MPPT控制策略，该策略结合了固定电压法和基于功率预测的变步长扰动观测法，固定电压法用于系统启动，使系统快速运行于近似的MPP，基于功率预测的变步长扰动观测法用于实现系统的MPPT，具有跟踪速度快、功率振荡小、日照剧烈变化不会发生误判等优点。

1 光伏电池建模

光伏电池是利用半导体的光生伏特效应制成的。单体光伏电池的输出电压在标准照度(1 000 W/m2)下只有0.5 V左右，常见的单体电池的输出功率一般在1 W左右。单体电池除了容量小以外，其机械强度也较差。在实际应用中一般将单体电池经串、并联严密封装成组件，或进一步将光伏电池组件串、并联连接成光伏阵列。光伏电池的实际工作等效电路如图1所示[4]。

图1光伏电池等效电路

图1 中，sc代表光子在光伏电池中激发的电流，这个量取决于光照强度、电池的面积和本体的温度，sc与光照强度成正比；VD为通过pn结的总扩散电流，方向与sc相反；sh为光伏电池旁漏电阻；s为光伏电池串联电阻；L为光伏电池负载电阻；L为负载电流。

一般光伏电池，串联电阻很小，并联电阻很大，所以在进行理想计算时可以忽略不计，可得负载电流的理想表达式：

2 光伏电池的输出特性曲线

光伏电池输出电流如式(1)，输出功率的函数为：

qUL

P=IscUL−ID0UL(eAKT−1)(2)

图2为外部环境稳定情况下光伏阵列输出电流、输出功率与输出电压的关系曲线。由图2可知在一定的光照和温度条件下，光伏阵列输出功率特性曲线是以最大功率点为极值的一个单峰值曲线，在最大功率点电压处输出最大功率，在最大功率点左侧输出功率随电压升高而增大，在最大功率点右侧输出功率随电压升高而减小。

图2 光伏阵列输出电流、输出功率特性曲线

3 光伏电池的最大功率点跟踪

光伏电池的输出特性会受外界光照、工作结温、负载状态的变化而变化，具有强烈的非线性特征，但在特定的光照强度和环境温度下，光伏电池存在一个最大功率输出点。要提高光伏发电系统的整体效率，一个重要途径就是实时变换系统负载特性，进行最大功率点跟踪。

传统的扰动观测法采用定步长扰动，在跟踪最大功率点时存在动态响应速度和稳态精度相矛盾的问题。根据光伏电池输出功率-电压特性曲线可知，在整个电压范围内，输出功率曲线为一单峰曲线，且在远离MPP时，功率变化较快，跟踪步长应适当增大，以提高跟踪速度；在MPP附近时，功率变化较慢，跟踪步长应适当减小，以提高跟踪精度。同时当光照发生突变时，光伏电池的工作点会从一条特性曲线转移到另一条特性曲线上，若根据单一的特性曲线进行控制就有可能发生误判，导致跟踪方向错误，严重时还会导致电压、功率崩溃。

针对以上提到的两点，本文对传统的扰动观测法进行两点改进，采用变化的步长取代定步长扰动；同时，为避免光照突变时发生误判，可以针对多条特性曲线的情形进行功率预测。

同一辐照度下P-U特性曲线上电压扰动前的工作点功率可以通过预测算法而获得，利用这个预测的功率以及同一辐照度下P-U特性曲线上电压扰动后检测到的实际工作点功率，就可以实现基于扰动观测法的MPPT，有效克服误判，这是基于功率预测的扰动观测法的基本思路。下面分析其基本算法。当采样频率足够高时，可以假定一个采样周期中辐照度的变化速率恒定。令时刻电压Uk处工作点测得的功率为P(k)，此时不对参考电压加扰动，而是在KT时刻后半个采样周期的(+1/2)时刻增加一次功率采样，令测得的功率为P(k+1/2)，则可以得到基于一个采样周期的预测功率p'(k)为：

在(+1/2)时刻使参考电压增加△U，并令在(+1)时刻测得电压+1处的功率为P(k+1)，P(k+1)与P'(k)理论上是同一光照强度下P-U特性曲线上电压扰动前后的两个工作点功率，故利用(k+1)时刻的检测功率P(k+1)以及时刻的预测功率P'(k)进行基于扰动观测法的MPPT是不存在误判问题的。

变步长算法采用最优梯度法[5]确定扰动步长，公式为：

本文将基于功率预测的扰动观测法与变步长的扰动观测法相结合，不仅能克服误判，还能解决MPPT跟踪速度和精度间的矛盾，最大限度抑制系统的振荡。

经分析，设计基于功率预测的变步长扰动观测法的流程图，如图3所示。

图3 基于功率预测的变步长扰动观测法流程

系统采用固定电压法启动，使系统快速运行于MPP附近，再利用基于功率预测的变步长扰动观测法实现最大功率的快速、准确跟踪。

4 仿真研究

为了验证本文提出的MPPT控制算法的有效性，利用Matlab/Simulink软件对传统扰动观测法和本文提出的基于功率预测的变步长算法进行了仿真分析。主电路选择Boost DC/DC变换电路，光伏阵列的模型按照以下参数搭建：标准测试条件下(光伏电池设定温度25℃，初始光照1 000 W/m2)最大功率170 W，最大功率点电压和电流分别为23 V和7.4 A，开路电压29 V，短路电流8 A。

图4和图5分别为传统扰动观测法和基于功率预测的变步长扰动观测法在进行MPPT控制时的波形。由图可见，扰动观测法在系统启动后0.09 s跟踪到最大功率点，本文算法在0.02 s前就已经达到稳态，由此看出本文算法跟踪速度更快；0.2 s时外界光照突变为1 500 W/m2，0.4 s时光照突变为1 200 W/m2，可见本文提出的方法消除了光照突变跟踪初期的误判，变步长的算法有效减轻了系统在MPP的功率振荡，提高了系统的跟踪精度，可见基于功率预测的变步长算法在动态跟踪速度和稳态跟踪精度上都有较大优势。

5 结论

本文针对光伏电池输出特性，分析了传统扰动观测法的原理和不足，在此基础上提出了一种新的控制算法，该算法结合了固定电压法和基于功率预测的变步长扰动观测法，前者实现系统快速启动，后者将基于功率预测的扰动观测法与变步长的扰动观测法相结合，不仅能克服光照突变时的误判，还能解决MPPT跟踪速度和精度间的矛盾，最大限度抑制系统的振荡。通过仿真验证可知，该控制算法在外界光照强度发生突变时，能够避免误判，迅速、精确地跟踪到MPP，减少了振荡现象的产生，提高了系统的工作效率。

图4 传统扰动观测法功率波形

图5 基于功率预测的变步长扰动观测法功率波形

[1]周林，武剑，栗秋华，等.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述[J].高电压技术，2008，34(6)：1145-1154.

[2]张超，何湘宁.短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用[J].中国电机工程学报，2006，26(20)：98-102.

[3]焦阳，宋强，刘文华.基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略[J].电力自动化设备，2010，30(12)：92-96.

[4]张兴，曹仁贤.太阳能光伏并网发电及其逆变控制[M].北京：机械工业出版社，2010：41-44.

[5]赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究[D].合肥：合肥工业大学，2003.

Research of kind of variable step size perturbation and observation MPPT based on power prediction

WU Lei,GAO Xing-lin

Considering the output characteristic of photovoltaic array,the principle and shortcomings of the traditional P&O method was analyzed,and an improved maximum power point tracking(MPPT)algorithm was presented,which was the combination of Constant Voltage algorithm and variable step size P&O method based on power prediction. The results of proposed algorithm and traditional algorithms were made by simulating with MATLAB/Simulink program.The simulation results show that the MPPT response speed and accuracy could be greatly improved by the proposed scheme.Moreover,it was more suitable for practical operating conditions due to the strong capability of anti-interference.

MPPT;constant voltage algorithm;power prediction;variable step size;P&O

TM 914

A

1002-087 X(2015)03-0527-02

2014-08-14

2012年省产学研创新项目(BY2012069)

吴雷(1962—)，男，江苏省人，硕士，副教授，主要研究方向为电力电子、电力传动、感应加热电源。