光伏发电MPPT恒压跟踪法优化研究

李正 马航

摘 要：在太阳能光伏发电中，实现高效的最大功率输出是重要的研究方向。本文主要对恒压跟踪法进行优化，在光伏发电板温度变化时，使恒压跟踪能相对精确地随温度实现变压跟踪，通过在PSIM上建立仿真模型进行分析验证。该方法具有较好的功率输出，控制及实现起来简单，所以它在具体的光伏发电工程中有很高的实用性。

关键词：恒压跟踪法;MPPT;PSIM仿真

中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）29-0130-03

Absrtuct： In solar photovoltaic power generation， achieving high-efficiency maximum power output is an important research direction. This paper mainly optimized the constant voltage tracking method， which enabled constant voltage tracking to achieve variable voltage tracking with temperature relatively accurately when the temperature of the photovoltaic power generation panel changed， the simulation model was established on PSIM for analysis and verification. This method has good power output and is simple to control and implement， so it has high practicability in specific photovoltaic power generation projects.

Keywords： constant pressure tracking method;MPPT;PSIM simulation

在快速发展的今天，不可再生能源越来越匮乏，国家大力提倡发展可再生资源，而太阳能资源开发和利用是未来发展的主要趋势之一[1-2]。光伏发电是将太阳能转换为电能，对于我国广阔的西北地区及偏远落后的地方来说，微电网可以很好地解决用户的用电问题，然而光伏发电的转换效率低，所以该发电系统的最大功率跟踪点是一个研究重点。目前，MPPT跟踪主要有恒压跟踪法、扰动观测法和电导增量法等。它们都会或多或少地存在缺陷，本文主要对恒压跟踪法进行优化，使其能够较好地满足跟踪要求。

1 外界因素对光伏发电输出特性的影响

太阳能发电受到外界环境的影响，使得实际应用中输出的电能是变化的，影响该变化的因素有光照强度、外界温度及湿度等。其中，主要影响因素是光照强度与温度。

光伏发电板表面温度一定时，随着光照强度增加，开路电压与开路电流增加，输出最大功率也增大。当温度与光照强度都不变时，输出功率随着电压的增大而增大，直到达到最大输出功率后，再增加电压，输出功率开始下降。在光照强度一定时，随着温度的变化，短路电流变化不明显，开路电压随着温度的增加开始下降，最大输出功率也开始下降。

2 MPPT的跟踪方法

目前，在光伏发电中，最大输出功率跟踪法主要有恒压跟踪法、扰动观测法、电导增量法等，根据各自的优缺点，其分别应用在不同的工程领域。

2.1 恒压跟踪法

在MPPT算法中，恒压跟踪法是最简单的一种跟踪方法，在设定好合理的电压参考点后可以快速地达到最大输出功率点[3]，在对控制要求不高的系统中有着广泛的应用。恒压跟踪法也有着很大的缺点，温度变化时，其最大输出功率对应的电压是不断变化的，即开路电压的输出会随着温度的改变而改变，导致输出功率误差变大[4]。

2.2 擾动观测法

扰动观测法又称爬山法，在设定的采样时间里采集输出的电压和电流的值，根据式（1）计算扰动前后的输出功率，比较扰动前后的输出功率，同时观测其功率的大小与方向的变化情况，不断施加扰动直到输出功率到达最大输出功率附近[5]。然而，扰动观测法在选定步长时比较困难。

式中，P为输出功率，W;U为输出电压，V;I为输出电流，A。

2.3 电导增量法

在MPPT跟踪算法中，增量电导法也是常用的一种方法，其原理是在最大功率点时太阳能电池的输出功率对输出电压的微分为0，此时可以得出式（1）。

同时从式（1）两端对U求导，可得：

当dP/dU>0时，U小于最大功率点电压Umax;当dP/dU<0时，U大于最大功率点电压Umax;当dP/dU=0，U等于最大功率点电压Umax。

找到dP/dU=0的工作点，其为输出最大功率点[6]。电导增量法比扰动观测法的精度更高，但是这种控制算法实现起来比较复杂，同时电导增量法对硬件的要求也很高。

3 恒压跟踪法优化

由于恒压跟踪法控制简单且易于实现，所以该算法一直被广泛应用。为了使得该方法能够更加准确地实现跟踪的目的，本文提出在众多光伏发电板发电的同时，抽取出很少的几块发电板，专门用来采集开路电压。换句话说，在广阔的太阳能发电基地抽取合适的几块发电板，它们不是用来发电而是用来实时采集开路电压，这几块板的开路电压求和并取平均，即可得到每一块的平均开路电压。

3.1 恒压跟踪法原理

如图1所示，在温度一定时，不同的光照强度下，太阳能电池板输出的最大功率点几乎都在同一条垂直线的附件，这样就可以把这条最大功率线近似看成电压Um，该电压Um与开路电压满足线性关系：

式中，Um为最大功率点电压;k为系数，取值约为0.76;Uoc为光伏电池的开路电压。

故而可以得到，当温度不变时，不管光照强度是多少，选取的该恒压参考点为0.76Uoc。

经过仿真测试，所选太阳能板的开路电压为Uoc=22 V。恒压跟踪法所仿真的曲线结果如图2所示，Uoc是定值，随着温度的改变，有仿真结果显示该方法没有很好地实现MPPT跟踪。

3.2 优化恒压跟踪法的开路电压

在具体的工程与实际应用中，一天的温度是不断变化的，所以开路电压Uoc也随着温度而变化，因为恒压跟踪法的电压是一个恒定值，这样就导致跟踪效率不高。但是，在同一片光伏发电场中，每块发电板的温度几乎相同，本研究采取舍弃几块发电板的方法用来实时检测其开路电压Uoc，将其作为其他发电板在使用恒压跟踪法时的输入开路电压。随着温度的变化，Uoc跟着变化，Uoc也跟着变化，这样可以很好地实现变压跟踪，极大地提高了输出功率的利用率。

4 PSIM仿真及結构分析

本研究对恒压跟踪法的缺点进行优化，在PSIM软件中建立仿真模型，同时进行仿真分析。该仿真选取3块太阳能发电板，其中2块进行发电，1块作为实时采集的开路电压为其中2块提供可变的变压跟踪，通过可编程模块C-block进行编程，实现最大功率点输出与相对应的电压输出，编写流程如图3所示。PSIM软件中建立的仿真模型如图4所示。

由图4可知，当温度变化时，开路电压跟着变化，使得恒压跟踪成为变压跟踪，不再受温度的影响，其仿真曲线如图5所示。由图5可知，在外界温度变化时，如果采用其中一块发电板来实时检测开路电压，就能够很好地实现MPPT跟踪。

5 结论

本文利用PSIM软件建立仿真模型，结果发现，在外界温度变化时，如果采用其中一块发电板来实时检测开路电压，就能够很好地实现MPPT跟踪。因此，规模较大的太阳能发电厂可以牺牲较少的几块发电板，更多地实现剩余太阳能板的最大功率输出，此方法设计简单，易于实现。

参考文献：

[1]邢广成，陈芳.太阳能光伏电池建模及仿真研究[J].船电技术，2019（2）：27-29.

[2]毛军科，刘士荣，荣延泽，等.光伏燃料电池混合发电系统的建模及仿真[J].杭州电子科技大学学报，2011（6）：127-130.

[3]陈仁辉，胡治宇.基于限幅变压跟踪法光伏发电MPPT的研究[J].精密制造与自动化，2015（1）：18-20.

[4]陈云瑶，袁成清，和树海.基于恒压插值法的光伏发电系统最大功率跟踪[J].船海工程，2013（1）：88-90.

[5]王汝田，施志明，文湘雲.基于恒压估计与扰动观测结合的MPPT算法[J].东北电力大学学报，2019（6）：24-29.

[6]卢超.一种改进型电导增量法MPPT控制策略仿真研究[J].信息技术，2019（3）：111-115.