一种改进的新型MPPT控制策略

徐 旭，杨向宇

(华南理工大学电力学院，广东广州510641)

一种改进的新型MPPT控制策略

徐 旭，杨向宇

(华南理工大学电力学院，广东广州510641)

构建光伏电池通用模型，并用Matlab仿真得到P-U、I-U特性。目前光伏系统最大功率跟踪常用到的是扰动观测法和电导增量法，而扰动观测法中对步长的确定尤为重要。跟踪过程中P-U曲线斜率改变，且最大功率点附近斜率接近于零，与其位置斜率相差较大，因此提出了根据P-U曲线斜率范围来变更步长的一种新的变步长扰动观测法。最后，使用Matlab/Simulink中S函数实现算法，从而得到仿真结果。验证了这种改进的MPPT控制算法可以实现，有良好的动态性能和稳态性能，实现了最大功率的快速跟踪。所提出的算法在一定程度上弥补了传统扰动观测法的不足，且调试简单，便于实现。

光伏建模；最大功率跟踪；变步长；扰动观测法；控制

Abstract:Photovoltaic generic model was constructed,and theP-U,I-Ucharacteristic was got with Matlab.Perturbation and observation(P&O)algorithm and incremental conductance(INC)algorithm were the maxiumum power point tracking MPPT in photovoltaic systems.But the step size of P&O algorithm was particularly important.The slope of theP-Ucurve changed during tracking,and the slope near the maximum power point was close to zero with quite different from the other position.So a new variable step size P&O algorithm which according to the range of slope ofP-Ucurve to change the step size was proposed.Finally,this algorithm was implemented with Matlab/Simulink S-function,thereby obtaining simulation results.Verify that this improved MPPT control algorithm can be implemented,and has good dynamic performance and steady state performance,and maximum power point fast tracking is achieved.The proposed algorithm to some extent made up for the shortcomings of traditional P&O algorithm,and debugging was simple and easy to implement.

Key words:PV cell modeling;MPPT;variable step size;P&O algorithm;control

随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，世界各地都在大力发展新能源。太阳能丰富、清洁、安全、方便，越来越受到世界各国的广泛关注，也是目前广泛探索并得到一定发展的一种可再生能源。由于受外界环境的影响较大，所有的光伏系统都希望在不同的温度和光照强度下都能输出当前最大功率，使太阳能的利用率尽可能提高。为最大限度地发挥太阳电池效用，必须使太阳电池时刻都工作在最大功率点(MPP)，即需采用最大功率点跟踪(MPPT)技术来捕获太阳的最大能量。

MPPT控制本质上是一个自动寻优过程通过采样电流、电压值，计算当前功率，判断工作点与峰值的位置关系，运用相应算法实现电压或电流向峰值点靠近，最后收敛于峰附近很小的区域内。使光伏电池在各种不同温度和光照条件下都能自动地、快速地输出最大功率。

本文针对传统扰动观测法进行改进，提出一种新的变步长扰动法。在Matlab/Simulink环境下建立光伏电池仿真模型，在此基础上，着重分析比较了传统P&O算法，通过仿真验证了所提出的方法能有效、快速地实现最大功率跟踪[1]。

1 光伏电池建模

光伏电池是太阳能发电的核心部件，具有将太阳能转换电能的功能。但由于器件本身的复杂特性，光伏电池的转换效率还较低，而且其输出特性具有非线性，并受到环境温度和光照的影响，使得光伏电池的输出功率发生变化，其实际转换效率进一步降低。

为了在光伏发电系统的设计中更好地分析光伏阵列的电气性能，更好地使其与光伏控制系统匹配，达到最佳的发电效果，则有必要为光伏电池建立起数学模型。通过这些数学关系，来反映出光伏电池各项参数的变化规律[2-3]。光伏电池等效电路如图1所示。

图1 光伏电池等效电路

根据等效电路可推出光伏电池输出电压U、电流I直接的关系为：

式中：Iph为光伏电池的光生电流；ID为二极管饱和电流；RP为并联电阻；RS为串联电阻。

实际应用中一般采用厂家提供的基本参数：(标准条件下，即T=25 ℃，S=1000 W/m2)短路电流ISC，开路电压UOC，最大功率点电流Im，最大功率点电压Um。如式(2)所示。

式中：C1、C2两个待定系数可由式(3)所示。

假定实际工况与标准工况相比的温度差ΔT和辐照度差ΔS分别为：

结合式(4)，式(2)中的ISC、UOC、Im、Um可分别用式(5)表示。

式中：α、β、γ的典型值分别为α=0.0025、β=0.5、γ=0.00288。根据以上公式可建立在不同温度和不同光照条件下的光伏电池模型，仿真得出电池输出P-U和I-U特性。

温度不变 (T=25℃)，仿真参数为：ISC=3.8 A、UOC=22 V、Im=3.5 A、Um=17.7 V，光照强度改变条件下仿真模型的输出特性曲线如图2所示。

图2 仿真模型P-U、I-U曲线

2 MPPT控制策略

光伏电池将太阳能转换为电能，其输出功率会随着温度和光照强度的变化而变化且存在最大功率点。要充分利用太阳能发电，光伏发电系统需要实现最大功率跟踪控制。最常见的光伏电池最大功率跟踪方法有恒定电压法、扰动观测法和电导增量法[4-6]。

2.1 传统扰动观测法(又称爬山法)

扰动法的原理是每隔一段时间增加或减少输出电压 (定步长算法中电压每次该变量相同)，并观测输出功率变化方向，来决定下一步的输出电压是增大还是减小。这种控制方法简单，常用的硬件电路就可以实现，但响应速度慢，适用于光照强度变化非常缓慢的场合。在稳态时，电压会在最大功率点反复摆动，造成功率损耗，且功率损耗与扰动步长有直接关系；当光照快速变化时，跟踪算法有可能失效，判断得到错误的跟踪方向。该算法流程图如图3所示。

图3 传统扰动算法流程图

2.2 改进后的扰动观测法

通过采样，可以得到当前时刻与前一时刻的电流差值ΔI和电压差值 ΔV，可计算得 ΔP,即可得 ΔP×ΔV，ΔP/ΔV。判断扰动方向和步长关系如图4所示。通过判断ΔP×ΔV的正负来确定此时功率点的位置，进而确定下一步扰动方向，向最大功率点逼近；如果ΔP×ΔV=0表明在最大功率点处；如果ΔP×ΔV＞0表明最大功率点在当前工作点右侧；如果ΔP×ΔV＜0表明最大功率点在当前工作点左侧。根据ΔP/ΔV值的大小来确定扰动步长，通过设定k值确定步长切换的区间。在P-U曲线上最大功率点附近时，k很小；如果 |ΔP/ΔV|＞k，说明此时的工作点不在最大功率点附近，扰动步长Vstp=Vstp1；反之，在最大功率点附近时，扰动步长Vstp=Vstp2。Vstp1的值是固定的，相对比较大，可以使系统快速收敛于最大功率点附近，Vstp2的值是变化的，相对比较小，随着越接近最大功率点，Vstp2值越接近于0，表达式为：

式中：C为常数，Vstp为前一时刻步长大小。这样，Vstp2根据位置自动改变步长大小，确保在最大功率点附近摆动幅度较小，电压波动较小[7-8]。算法流程图如图5所示。

图4 判断扰动方向和步长关系图

图5 改进的新型扰动算法流程图

3 最大功率跟踪控制的仿真

在Matlab/Simulink环境下，基于BOOST电路，利用前面搭建的PV模型建立光伏发电仿真系统。对改进的新型算法进行仿真。MPPT控制模块采用S-函数实现。仿真结果如图6所示，为了更好验证新型算法控制效果，在t=0.2 s时，光照强度从800 W/m2瞬时增大至1200 W/m2。

图6 采用改进的算法的仿真结果

4 结论

针对太阳电池的特点，将改进的扰动法应用到光伏发电系统MPPT过程中，通过仿真验证，能够实现MPPT，在外界环境相对稳定的情况下，这种控制具有良好的稳定性，使系统稳定工作在MPP；当外界环境突变时，这种算法能准确地、快速地跟踪到太阳电池的MPP，具有良好的快速性。可见，这种算法使得光伏发电系统具有良好的动态性能和稳态性能。

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New and improved MPPT control strategy

XU Xu,YANG Xiang-yu
(South China University of Technology,School of Electric Power,Guangzhou Guangdong 510641,China)

TM 615

A

1002-087X(2017)09-1353-03

2017-02-08

徐旭(1990—)，男，湖北省人，硕士生，主要研究方向为新能源发电技术；杨向宇(1963—)，男，湖北省人，教授，主要研究方向为特种电机及其控制。