基于变步长扰动观察法的光伏电池最大功率点跟踪研究

李 卿，杨国华，唐 浩，王鹏珍

（宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021）

基于变步长扰动观察法的光伏电池最大功率点跟踪研究

李 卿，杨国华，唐 浩，王鹏珍

（宁夏大学电气工程与自动化系，宁夏银川750021）

太阳能是国际公认的理想替代能源，开发利用太阳能是解决当前能源危机的一条重要途径。分析了光伏电池的数学模型及其相关参数，通过光伏电池在不同条件下的输出特性曲线研究光照的辐射强度和环境温度对太阳能电池的影响，提出了基于变步长扰动观察法的光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）算法，并进行了Matlab／Simulink仿真研究，仿真结果表明基于变步长的扰动观察法能够对环境的突变做出迅速响应，具有更高的动态性能和稳定性，具有较好的实用价值。

光伏特性；变步长；最大功率点跟踪；Simulink仿真

1 引言

太阳能作为具有广阔前景的清洁能源近年来备受瞩目，学者对太阳能的研究也有了突破性的进展。然而，太阳能发电受外部环境因素影响较大，难以达到稳定的发电状态。因此，为实现发电功率最大化，通常采用最大功率点跟踪技术（MPPT）［2］。

2 研究现状

目前，MPPT常用的算法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法等。恒定电压法控制简单，易于实现，初期投入少，系统工作电压具有良好的稳定性，但跟踪精度差。电导增量法能够迅速地跟踪光强快速变化所引起的最大功率点的变化，控制效果好，稳定度高；但其控制算法较复杂，对控制系统的性能和传感器精度的要求较高，硬件难以实现。扰动观察法的跟踪方法简单，被测参数少，其对传感器的精度要求不高，易于实现；但在日照强度急剧变化的情况下，其电压所控制的参考信号值会发生突增或突降，使其性能变差，以致其对最大功率点的跟踪速度和控制精度无法兼顾。

文献［1］提出了一种改进型的最大功率点跟踪算法。该算法综合了扰动观察法、二次插值法和恒压法的优点，能够有效避免采用扰动观察法控制时电压振荡所造成的功率损失以及采用恒压法控制时不能随环境条件实时调整工作电压的缺陷，但此算法错综复杂、计算量大。文献［4］提出的扰动观察法具有较强的适应性，跟踪响应速度快，但在最大功率点附近的稳定性还存在一定不足。文献［5］给出的方法能够提高最大功率点的稳定性，能够减少能量损失，但其跟踪速度有待提高。为了解决常规定步长扰动观察法的跟踪速度与稳态精度之间的矛盾，本文提出了一种简洁的定电压启动的自适应变步长扰动算法，并在Matlab／Simulink中进行实验仿真来验证其对最大功率点的改善情况。

3 变步长扰动观察法的原理

本文通过对扰动观察法局限性的研究，提出一种改变扰动占空比的方法来提高MPPT的效率。变步长扰动观察法示意图如图1所示。假设开机后追踪到的P－V曲线符合曲线1特征。常规情况下最大功率点的电压Umppt一般为Uoc的0.76倍，所以电压以Uoc为标准值，并逐渐向最大功率点处靠近，与此同时，启动变步长扰动观察法对电压和功率进行控制。测试时，当跟踪值距离最大功率点处较远时，一般采用较长的步长进行扰动，当跟踪值距离最大功率点处较近时，一般采用较短的步长进行扰动。

图1 变步长扰动观察法示意图

3.1 光伏等效电路

光伏电池的等效电路对于光伏电池的特性研究具有重要意义。根据相关文献建立光伏电池的仿真模型，并给出光伏电池单元的等效电路拓扑结构如图2所示。

图2 光伏电池拓扑结构

图2中忽略了并联电阻Rsh支路，由KCL得到光伏电池输出电流I为：

式中，V为光伏电池输出电压，I为光伏电池输出电流，IL为光伏电池短路电流，Id为二极管电流，RS为光电池等效串联电阻，T为光电池温度，q为库仑常数（q＝1.6×10－19C）。

根据光伏组件特性，可以求出短路电流IS和开路电压Vac。设定Im和Vm分别表示最大功率点处的峰值电流和最大功率点对应的峰值电压，则：

其中C1和C2分别为：

光伏系统中必须考虑太阳的入射角、光照强度及温度变化等，dI和dU分别表示电流和电压的修正量。通过上面各式可推演出在当前实测环境下太阳能组件中的电压与电流之间的关系式如下：

其中修正量为：

式中，ε＝1.12eV，Imref和 Vmref分别表示参考条件下光伏组件最大功率点处的电压和电流，Iscref为给定条件下光伏组件的短路电流，μVoc和μIsc分别为给定条件下的温度系数。

3.2 光伏组件特性分析

组件特性主要是指V－I特性曲线和P－V曲线。V－I电压电流曲线能够直观地反映出在一定的外部条件下光伏电池的输出电流与输出电压的关系，PV输出功率与电压曲线能够直观地反映出在上述相同外部条件下光伏电池组件的输出功率与输出电压之间的关系。

在一定条件下，取Im＝13.88A，Vm＝288V，Voc＝354V，Isc＝14.88A，Sref＝1000W／m2，Tref＝25℃，a＝0.0025A／℃，b＝0.0028V／℃，RS＝0.5Ω。可得此时光伏电池 V－I曲线和P－V曲线分别如图3和图4所示。

图3 光伏电池V－I曲线

图4 光伏电池P－V曲线

4 系统的建模与仿真

在Matlab／Simulink软件上搭建仿真模型，采用扰动观察法研究最大功率点的追踪控制。模型组建框图如图5所示。

图5 仿真模型组建框图

5 Boost电路

光伏电池最大功率点跟踪控制的原理是根据改变负载等效阻抗值使之与光伏电池的内阻相匹配，最终实现跟踪控制［6］。采用Boost升压电路可实现该功能。本文建立了以变步长扰动观测法为理论基础的最大功率点跟踪控制仿真系统。MPPT控制模块的输入端分别为光伏电池的输出电压和输出电流，其输出端为控制Boost升压电路中功率开关器件的脉冲信号。仿真波形图如图6、图7和图8所示。

图6 光伏MPPT电流波形

图7 光伏MPPT电压波形

图8 Boost电路输出最大功率点功率波形

在仿真研究中，设光伏电池开路电压为43V，短路电流为4.5V。当光伏电池的最大功率达到45W时，对应的电压为18V。设置初始值Δd＝2V，功率震荡介于3W至5W时设置Δd＝3V，功率振荡小于1W时设置Δd＝1V。

由仿真波形图可以看出，系统在启动时电压、电流、功率普遍有较大波动，光伏电池步长设置值较大，与最大功率点处的电压偏离较远，所以导致功率值不稳定。然后，系统根据控制策略的设定调整步长，并自适应反馈调节接近于最大功率点处，同时Δd逐渐减小，直到保持一个稳定值工作在最大功率点处。由仿真波形图可知，系统从开机到稳定在最大功率点处的时间为0.08秒。

6 结束语

本文提出的变步长扰动观察法具有以下许多优点：在系统启动过程中能够通过采样光伏电池开路电压值作为初始设定值，充分发挥变步长法自身的特点，待系统启动后能适应系统并不断地调整步长以至于快速地追踪到最大的功率点；在外界环境变化波动较大时，能够选用大步长进行干扰跟踪，能够快速跟踪到环境的变化，能够大大提高系统的动态性能；系统捕捉到最大功率时，能够灵活地采用很小的步长进行扰动，以减小功率的振荡和损耗，并提高系统的跟踪效率和稳定性。经Matlab／Simulink仿真表明，变步长扰动观察法具有较好的动态性能和稳态性能，具有较好的应用价值。

［1］邱培春，葛宝明，毕大强.基于扰动观察和二次插值的光伏发电最大功率跟踪控制［J］.电力系统保护与控制，2011，（4）：62－67.

［2］朱铭炼，李臣松，陈 新，龚春英.一种应用于光伏系统MPPT 的变步长扰动观察法［J］.电力电子技术，2010，（1）：20－22.

［3］唐 俊，周海峰，王荣杰，叶晓军.基于Matlab／Simulink的光伏电池输出特性仿真研究［J］.应用能源技术，2015，（1）：1－5.

［4］谢玲玲，时 斌，马在涛，华国玉.基于改进扰动观察法的光伏电池最大功率跟踪［J］.水电能源科学，2012，（10）：204－207.

［5］李 涛，霍修坤，张道忠，张 伟.改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪算法［J］.微型机与应用，2013，（10）：73－76.

［6］刘 宇，孙国凯，葛廷友.基于改进的扰动观察光伏发电MPPT控制方法的仿真研究［J］.中国农机化学报，2015，（6）：286－290.

Research on maximum power point tracking of photovoltaic cells based on variable step perturbation observation method

LI Qing，YANG Guo－hua，TANG Hao，WANG Peng－zhen
（Department of Electrical Engineering and Automation，Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The solar energy is an internationally－recognized ideal alternative energy source.It is an important way that solving the current energy crisis by developing and utilizing the solar energy.The mathematical models and relevant parameters of the photovoltaic cells are analyzed.From the output characteristic curve of the photovoltaic cell under different conditions，the influence of the radiation intensity and the environmental temperature on solar cell is studied.The variable step perturbation observation method is proposed to study the maximum power point tracking （MPPT）algorithm foe photovoltaic cells.The Matlab ／Simulink simulative experiments show that the step perturbation observation method enables the system of good dynamic performance，well stability and rapid response to the environmental change，and it has good application value.

photovoltaic characteristics；variable step；maximum power point tracking；Simulink simulation

TM615

A

李 卿（1993－），男，宁夏中宁人，在读研究生，主要研究方向为电工电子新技术。

杨国华（1972－），男，宁夏中卫人，教授，硕士生导师，主要研究方向为电工电子新技术。

唐 浩（1990－），男，宁夏中卫人，在读研究生，主要研究方向为电工电子新技术。

王鹏珍（1992－），女，甘肃白银人，在读研究生，主要研究方向为电工电子新技术。

2016－11－21

1005—7277（2017）02—0008—04