MPPT中一种新型扰动观察法的算法研究

徐海涛，高　波，贾浩文，张　利

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东青岛266590)



MPPT中一种新型扰动观察法的算法研究

徐海涛，高波，贾浩文，张利

(山东科技大学 电气与自动化工程学院,山东青岛266590)

摘要：扰动观察法在现有众多的MPPT控制方法中是比较简单而且有效率的控制方法。在此基础上提出了一种改进型算法，首先运用变步长弱振荡方法对最大功率点进行跟踪，然后在功率和电压变化基础上引入了电流变化量。这种方法既可以实现快速稳定跟踪最大功率点的目的，同时可以避免在光照增强时产生的工作点漂移。在Matlab/Simulink环境下进行建模仿真，使用Boost电路验证所提出方法的有效性。仿真结果表明，此种改进方法消除了系统振荡，动态响应效果更好，更重要的是它可以在光照增强时有效准确地跟踪最大功率点，避免工作点漂移。

关键词：光伏发电；最大功率点跟踪(MPPT)；Boost；扰动观察法；漂移；变步长

0引言

在光伏发电系统中影响光伏电池输出特性的因素诸如光照、温度等较多，而光伏电池又属于比较复杂的非线性发电装置，所以导致光伏电池的输出时刻都在发生变化[1]。带有最大功率(MPPT)跟踪的控制方法可以实时有效地提高系统的发电效率，成为光伏系统研究的热点。到目前为止，包括扰动观察法、电导增量法、模糊控制法等[2-4]在内的许多方法已经提出来，并且成功的应用于光伏发电系统中。这些方法都存在一定优缺点，可以根据实际情况进行选用。

文献[5]提出了变步长弱振荡算法实现最大功率点跟踪，可以使其跟踪更稳定，动态响应效果更好，不过这种方法忽视了光照强度增强时工作点漂移问题。文献[6]为避免这种漂移问题通过给扰动步长施加限制实现，不过为了光照强度变化迅速时跟踪最大功率点需要大的扰动步长，从而会增加在稳定状态下的功率损耗。文献[7]通过估算整个功率电压曲线的方法实现，但是这种方法不可能在光照突变情况下估算完整的功率电压曲线，也就不能完全避免工作点漂移。文献[8]给出的解决方法是通过施加功率变化的上下限值来实现，因为功率变化的上下限值主要取决于光照强度变化量，所以这不是最理想的解决方法。另外电导增量法虽然可以在光照强度变化时可以准确地跟踪最大功率点，但是硬件实现复杂，成本较高。文献[9]方法通过在传统扰动观察法基础上引入电流变化量提出了一个准确简单避免工作点漂移的方法，但是这种方法在最大功率点附近存在振荡，稳态输出波形有一定波动。此外Sepic电路电器元器件较多，而且电容值一般较大，使得电路重量增加，线路损耗增加，所以实际中此电路应用不多。

本文首先基于Boost电路从理论上论述了改进型扰动观察法的原理，然后通过在Matlab/Simulink平台上建立了基于Boost电路仿真模型，最后对改进型算法进行仿真。仿真结果表明，这种方法既可以快速稳定地跟踪最大功率点，又可以在光照增强时避免工作点漂移问题。

1光伏阵列特性

光伏阵列的输出电流与输出电压之间的关系[10]为

(1)

输出功率与输出电压之间关系为

(2)

式中：Ipv为光伏阵列的输出电流；IL为光伏电池的光生电流(由光照强度决定)；Upv为光伏阵列的输出电压；q为电荷常数；K为玻尔兹曼常数；A为光伏电池中半导体电池的PN结系数；T为绝对温度；IO为电池反向饱和电流；RS为内部串联等效电阻；Rsh为内部旁路等效电阻。

图1　不同光照强度时光伏阵列功率与电压及电流与电压特性曲线

采用VPV，T(温度)、G(光照强度)作为光伏阵列的输入，IPV，PPV为输出。输入变量VPV工作在0～40 V之间，温度保持在25 ℃不变，光照强度分别为1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2，500 W/m2，得到光伏阵列的IPV-VPV，PPV-VPV特性关系曲线。如图1所示，光伏阵列短路电流随光照量增加而增加，开路电压变化不大。在一定的外界环境下，电池的输出功率有唯一的最大功率点，并且输出功率随光照强度增加而增加。为了使光伏电池输出最大功率，需要使用最大功率跟踪(MPPT)控制方法。它可以在特定的环境温度和光照下自动跟踪到太阳电池的最大功率点并稳定在此处。

2改进型扰动观察法

扰动观察法基本工作原理是：首先通过测量光伏阵列的电流电压，计算出当前的输出功率，然后在原来的输出电压基础上增添一个微小的扰动量，对输出功率进行再次测量并观察变化情况。如果功率变大，表示扰动方向是向最大功率点靠近，然后保持原来扰动方向进行扰动并观察；如果发现功率变小，则表示远离最大功率点，需要改变扰动方向进行扰动。

通过图2介绍光照强度突变时工作点漂移过程[11]。

图2　光照变化时工作点漂移过程

如图2所示，当光照变化时工作点容易发生漂移问题。假设工作点开始时工作于点A，由于扰动观察法本身的特点它会在附近振荡，来回工作于B，B’，A 3点，当工作点由B’点朝A点移动时光照开始增加，工作点会到达C点而不是B点，在这种情况下，算法会认为扰动是在增加功率的方向上，因此，它在相同方向继续提供扰动，进而工作点会偏离最大工作点，并且会沿着A-C-D-E方向继续移动。综上所述，工作点会在光照强度持续增加的情况下不断地偏离最大功率点。

Boost电路开关管发射极接地，驱动电路简单，它可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，则电感上的纹波电流小，可以接近平滑的直流电流，因此，只要加入容量较小的电容甚至不加电容，避免了加电容带来的体积增大等弊端。

本文首先采用变步长弱振荡方式实现MPPT:第一级步长适当加大，用以快速接近最大功率点附近区域，减少搜索时间；第二级步长适当减小，用以高精度逼近最大功率点。其次，通过在电压功率变化量基础上，引入电流变化量来避免光照强度变化时产生的工作点漂移问题。

下面介绍光照增强时如何避免工作点漂移。

Boost电路输出电压与输入电压之间关系为

(3)

该斩波电路的效率可以表示为

(4)

式中：Vpv，Ipv分别代表光伏阵列的输出电压、输出电流；Vo，Io为变换器的负载电压和负载电流。

由公式(4)可得

(5)

公式(1)所示光伏阵列电压电流关系通过泰勒级数展开式简化为

(6)

其中，

然后，将公式(5)代入式(6)可得

(7)

通过简化公式(7)可得：

(8)

将公式(8)代入公式(5)可得：

(9)

在给定光照条件下光生电流可以表示为

(10)

式中：IL,n代表标准条件下(T=25 ℃和G=1 000 W/m2)光生电流；KI代表短路电流温度系数； ΔT=T-Tn(T和Tn分别代表实际和标准情况下温度)；G为光伏阵列表面实时温度；Gn代表标准温度。

通过把公式(10)代入公式(8)和公式(9)可得电压电流在考虑光照时的导数，如下面公式(11)和公式(12)所示。

(11)

(12)

因为温度变化量与光照强度变化量成比例，即dT/dG>0，Isc,n，KI还有ΔT都是正的，分母是正值，dVpv/dG>0和dIpv>0得证。所以由式(11)和式(12)可知，当光照量增加时输出电压和输出电流都会增加。

图3　改进型扰动观察法流程图

由I-V曲线特性可知，当光照强度突然增加或持续增加时电流相应增加；由P-V曲线特性可知，此时电压和功率也相应增加，所以当光照量增加时功率变化量、电压变化量、电流变化量皆为正。由I-V曲线特性可知，电压和电流变化量只有在光照增加时一致，因此，功率增加是由于步长增加还是光照量增加可以通过电流参数判定。综上所述，光照量增加时通过减少工作电压从而消除工作点漂移，使得工作点靠近最大功率点。如图3所示，改进型算法通过判断功率变化范围决定采用大步长(Sp1)还是小步长(Sp2)，通过功率和电压变化量一致为正时检测电流来避免工作点漂移。

3仿真分析

仿真验证电路使用Boost升压电路，设置光伏阵列标准短路电流5 A，开路电压为21.1 V，最大工作点电压17.1 V，最大功率点电流4.6 A。图4中方法一为文献[5]110提出的方法，方法二为文献[9]5549提出的方法。方法三为本文提出的改进型方法。

(1)光照强度变化时仿真分析对比

首先设置图4仿真时间为0.5 s，光照强度在0.2 s时从300 W/m2阶跃上升到500 W/m2，然后在0.3 s时从500 W/m2下降到200 W/m2。

图4　光照强度变化时3种方法输出功率波形对比

由图4(a)可知，本文提出的方法由于采用了避免工作点漂移措施，效果与方法一相比可以在光照强度增强时避免工作点漂移，但是光照降低时不适用。由图4(b)可知，由于采取了变步长弱振荡措施，可以有效地提高响应速度，并且可以提高稳态时精度，消除稳态时振荡。

(2)光照强度短时间内持续增强时分析对比

图5　光照持续增强时输出功率波形对比

设置仿真时间为0.4 s，光照在0.18 s开始以每0.1 s上升50 W/m2的速度从500 W/m2上升到650 W/m2。由图5(a)可知，光照持续增强时改进型方法可以有效避免工作点漂移，提高工作点跟踪精度，减少漂移带来的功率损失。由图5(b)可知，改进方法可以提高在光照持续增强时响应速度，消除稳态时振荡，达到最大功率跟踪目的。

综上所述，改进的扰动观察法在光照强度变化时可以迅速而又稳定地实现最大功率跟踪功能，同时可以避免工作点漂移问题。

4结论

本文首先对光伏阵列基本模型及其电流-电压、功率-电压特性进行了介绍，然后针对光照强度增强时工作点存在的漂移问题展开论述及分析。在变步长弱振荡扰动法基础上提出了一种新型的扰动观察法，这种方法既可以提高响应速度和最大功率点跟踪精度，又可以在光照变化时避免功率点漂移。最后，在Matlab/Simulink环境下进行建模仿真，仿真结果表明改进型方法是有效可行的。

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Algorithm Research of an Novel MPPT Algorithm Based on P&O Method

XU Haitao, GAO Bo, JIA Haowen, ZHANG Li

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract：Perturbation and Observation (P&O) method is simple and effective among the existing control methods. An improved algorithm is proposed based on P&O method. First, by applying the variable step and weak oscillation method, the maximum power point is tracked and controlled. Secondly the current variable is introduced based on the variation of power and voltage. The aim of fast and stable tracking of the maximum power point can be achieved by this method, and furthermore the drift in enhancing weather conditions can be avoided. The whole system is modeled and simulated in Matlab/Simulink, and the improved P&O method is verified by the Boost circuit. The simulation results show that the improved algorithm is more stable, and eliminates the oscillation. More importantly, it can track the maximum power point effectively and avoid the drift when conditions of insolation enhance.

Keywords：PV; MPPT; Boost; perturb and observation algorithm; drift; variable step size

收稿日期：2016-02-24。

作者简介：徐海涛(1989-)，男，硕士研究生，主要从事新能源技术方面研究，E-mail:xuhaitaosuccess@163.com。

中图分类号:TM731

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.008