基于改进扰动观察法的光伏发电最大功率跟踪研究

郝晶莹，王胜辉,金月新，郑　洪

(沈阳工程学院 a.电力学院；b.产业管理处，辽宁 沈阳 110136)



基于改进扰动观察法的光伏发电最大功率跟踪研究

郝晶莹a，王胜辉a,金月新b，郑洪b

(沈阳工程学院 a.电力学院；b.产业管理处，辽宁 沈阳 110136)

摘要：在光伏发电系统中光伏电池板是产生电能的装置，光伏电池运行受外界环境温度、辐照度等因素的影响，呈现出典型的非线性特征。外界条件不同时，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。分析了最常用的最大功率点跟踪方法。并给出了一种新的最大功率跟踪方法，新方法能够快速跟踪到最大功率点，并且解决了跟踪过程的振荡问题。最后通过Matlab/Simulink仿真验证了控制有效性，得到了较好的输出波形。

关键词：最大功率点；MPPT；振荡

光伏发电是太阳能开发利用方式的一种，其可以利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，而且随着技术的不断进步，光伏发电有可能成为最具发展前景的发电技术之一。但是，光伏电池运行呈现出典型的非线性特征。因此，对于光伏发电系统来说，应当使光伏电池工作在最佳状态，最大程度地将太阳能转化为电能。传统的MPPT方法依据判断方式和准则的不同分为开环和闭环MPPT方法。开环MPPT方法建立在输出特性曲线上。闭环MPPT方法有扰动观测法和导纳增量法。不同的方法具有不同的优缺点，为此做一简单地比较，并给出了各个方法的适用场合。综上，给出一种改进的MPPT方法，能够快速跟踪到最大功率点，解决了跟踪过程的振荡问题，提高了转换效率。最后通过仿真验证了该方法的可行性。

1光伏电池的数学模型[1-3]

考虑到环境温度和光照强度对光伏电池的影响，采用的光伏电池的数学模型为：

设在任意太阳辐射强度R(wm2)和环境温度Ta℃条件下，太阳电池温度为

Tc=Ta+tCR

(1)

其中，R为光伏阵列倾斜面上的总太阳辐射;tc(degw-1m2)为太阳电池模块的温度系数。设在参考条件下，ISC为短路电流，VOC为开路电压，Vm、Im为最大功率点电压和电流，则当光伏阵列电压为V时，其对应点电流为I:

(2)

(3)

C2=(V1/VDC-1)ln(1-Im/ISC)

(4)

D1=α·R/Rref·DT+(R/Rref-1)ISC

(5)

DV=-β·DT-RS·D

(6)

DT=TC-Tref

(7)

Rref和Tref分别为太阳辐射和光伏电池温度参考值，一般取1 kW/m2R和25 ℃；α为在参考日照下，电流变化温度系数(A/℃)；β为在参考日照下，电压变化温度系数(V/℃)；RS为串联电阻，它主要是由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极和硅表面间接触电阻所组成。

采用的电池板型号为SAM/CEC Modules/Himin Clean Energy Holdings HG-185S。

电池板的参数见表1。

表1　电池板的参数

在MATLAB环境下，由上述数学模型建立的光伏电池板仿真模型如图1所示。

光伏电池既非恒流源，也非恒压源，而是一个非线性直流电源。光伏阵列提供的功率取决于阳光所提供的能量，因此不可能为负载提供无限多的电能。当通过增加负载使电池的电压从0开始增加时，电池的输出功率亦从0开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时如果负载继续增大，功率将逐渐减少至0，即电压达到开路电压UOC。电池输出功率达到最值，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Um；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im；该点所对应的功率，称为最大功率Pm。

图1　光伏电池板数学模型

2光伏系统最大功率跟踪方法比较

2.1恒定电压控制法(CVT)[4]

1)原理光伏电池的输出P-U曲线上最大功率点电压几乎分布在一个固定电压值的两侧。因此，CVT 控制法的思想是将光伏电池输出电压控制在最大功率点附近上的某一个电压处，此时光伏电池将近似工作在最大功率点处。

2)优缺点分析采用 CVT 控制的优点是该控制方法简单快速，系统稳定性高。但其缺点是忽略了外界条件对光伏电池最大工作点电压的影响。恒定电压跟踪法一般用于价格低且控制要求不高的简单系统中。

2.2短路电流比例系数法[5]

1)原理光伏电池的输出U-I曲线最大功率点电流Im与光伏电池短路电流ISC也存在近似的线性关系，即

Im≈K2ISC

(8)

其中，系数K2的值取决于特定光伏电池的特性，一般K2取0.8左右。

2)优缺点分析短路电流比例系数法的主要优点就是控制简单且易于实现。其缺点是光伏电池并不是工作在真正的最大功率点上。

2.3扰动观测法(P&O)[6]

1)原理其基本思想是：首先扰动光伏电池的输出电压(或电流)，然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化的趋势和扰动的方向改变扰动电压(或电流)的方向，使光伏电池最终工作于最大功率点。

2)优缺点分析扰动观测法具有控制简单、被测参数少等优点。但其缺点是扰动观测法存在振荡和误判问题，且电压初始值及扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响。

2.4导纳增量法(INC)[7]

1)原理由光伏电池的P-U曲线可以看出，在最大功率点处有dP/dU=0，因此可以考虑用功率全微分近似替代dP的MPPT算法，即从dP=UdI+IdU可以得出在最大功率点处有下式成立：

dI/dU=I/U

(9)

因此，将式(9)作为判定光伏电池是否工作在最大功率点的依据，并对系统进行相应的控制，即可以实现对最大功率点的跟踪。

2)优缺点分析采用INC法的优点是控制效果好，控制稳定度高，不受功率时间曲线的影响。但其缺点是控制算法较复杂，对控制系统要求较高。另外，电导增量法存在误判问题。

图2　Simulink建立的MPPT模型

3改进的变步长扰动观察法

综上所述，现有的方法无法同时解决最大功率点跟踪的振荡和误判问题。现在介绍一种最大功率点跟踪的新方法。这种新方法相对其他方法简单快速,很好地解决了振荡问题，并且对误判问题有一定的抑制作用。

由光伏电池的U-I特性曲线可知，类恒流源区域与类恒压源区域范围比大约为4：1.采用变步长的扰动观察法时总是希望系统在类似恒流源的区域里采用大步长以提高跟踪速度，而在类似恒压源的区域里减少步长以提高跟踪精度。具体步骤是：首先，通过检测电压变化时的电流变化，判断出光伏电池所在的工作区域，在类恒流源的区域，电流变化小，在类恒压源的区域，电流变化大；然后，根据工作区域的不同设定不同的步长。 这样减少了计算量，加快了MPPT算法[8-10]。

当增大参考电压U(U1=U+△U)时，若P1>P，表明当前工作点位于最大工作点的左侧，此时系统应保持增大参考电压的扰动方式，即U2=U1+△U,其中U2为第二次调整后的电压值。

当增大参考电压U(U1=U+△U)时，若P1

当减小参考电压U(U1=U-△U)时，若P1>P，表明当前工作点位于最大工作点的右侧，此时系统应保持减小参考电压的扰动方式，即U2=U1-△U。

当减小参考电压U(U1=U-△U)时，若P1

当功率变化很小时停止扰动，所以这个方法可以很好地解决系统的振荡问题。

图3　变步长扰动观察法仿真结果

仿真时间为0.1 s。当t=0～0.06 s时，T=25 ℃,当t=0.06～0.1 s时，T=35 ℃；当t=0～0.04 s时，R=500 W/m2,当t=0.04～0.1时，R=1000 W/m2。实验时保证电容C1的电压大于320 V。

图4　改进的变步长扰动观察法仿真结果

4结语

通过仿真结果验证了改进扰动方法的可靠性，避免了在跟踪过程中产生的振荡问题。此方法跟踪速度快，精度高，滤除掉了跟踪过程中产生的振荡，能准确地跟踪到最大功率点，为光伏最大功率点的功率提供了参考意议和可行性。

参考文献

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[10]徐鹏威，刘飞，刘邦银，等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进[J].电力电子技术,2007，41(5):3-5.

(责任编辑佟金锴校对张凯)

Research on the Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Power

based on the Improved Perturbation and Observation Method

HAO Jing-yinga,WANG Sheng-huia,JIN Yue-xinb,ZHENG Hongb

(a.School of Electrical Power; b.Industry Management Office,Shenyang Institute of

Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Photovoltaic cells are devices for generating electric energy in the photovoltaic power generation system.The photovoltaic cells under operation will present a typical non-linear characteristic with the influence of the environmental temperature, irradiance and other factors. Moreover, under different external conditions, photovoltaic cells are able to run on different and unique maximum power point. The most commonly used method of maximum power point tracking was analyzed in this paper, and a new tracking method of maximum power was proposed which could realize the maximum power point fast tracking and solve the oscillation problem during the tracking process. The control effectiveness is verified by Matlab/Simulink simulation, and good output waveform is obtained.

Key words：Maximum power point; MPPT; Oscillation

中图分类号：TM615

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0005-05