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光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤控制

來源：網(wǎng)絡 2022-01-29 12:00:00

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摘要：最大功率點的跟蹤（MPPT）是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)效率的有效手段之一，本文在分析光伏電池輸出特性的基礎上，討論了幾種常見的最大功率點跟蹤算法，最后提出了改進的變步長擾動觀測法，并進行了仿真驗證。敘詞：光伏發(fā)電最大功率點跟蹤變步長擾動觀測法 Abstract：The maximum power point tracking is the effective ways to improve the efficiency of Photovoltaic Array. At first ,the article analyse the Output characteristics of PV,then introduce several common ways of MPPT. At last,introduce　a improved perturbation and observation method with changing perturbation step and gets validated by simulation. Keyword：Photovoltaic power generation, Maximum power point tracking, Perturbation and observation method with changing perturbation step 1 前言

進入二十世紀以來，隨著全球工業(yè)化進程的逐步展開，世界各國對能源的需求急劇膨脹，而煤炭、石油和天然氣三大化石能源日漸枯竭，全球?qū)⒃僖淮蚊媾R能源危機，同時，大量化石能源的使用對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重的破壞，其結果是全球氣候變暖。人類要解決面臨的這些問題，一個重要手段就是發(fā)展太陽能等清潔的可再生能源。

太陽能取之不盡，用之不竭，不產(chǎn)生任何污染和廢棄物，對環(huán)境無不良影響，是一種最好的清潔能源。但目前太陽能光伏發(fā)電還存在著太陽電池板造價高、轉(zhuǎn)換效率低等問題，妨礙了光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模建設和推廣。所以，如何提高太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率成為當前研究的熱點。光伏發(fā)電的最大功率點跟蹤控制（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）便是通過對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤控制，實現(xiàn)其輸出功率的最大化，以提高光伏電池的利用效率。

2 光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出功率是外界環(huán)境溫度和光照強度的函數(shù)，具有強非線性。圖1給出了不同光照強度下光伏電池的輸出特性曲線。從圖1可以看出,光照強度越大，光伏電池輸出功率也越大；在一定光照強度下，光伏電池輸出功率P和輸出電壓U是二次函數(shù)的關系。從圖1（b）的P-U曲線可以看出，每條曲線都有一個拐點，在拐點處光伏電池輸出功率將達到該光照強度下的最

圖1 不同光照強度下光伏電池的輸出特性：

（a）不同光照強度下U-I曲線；

（b）不同光照強度下P-U曲線。

大值，該點即稱之為最大功率點。從曲線也可以看出，最大功率點所對應的輸出電壓是唯一的，也正是由于光伏電池的這個特點使得MPPT的實現(xiàn)成為可能。

圖2是不同溫度下光伏電池的輸出特性曲線。從圖2可以看出，當外界溫度變化時，光伏電池輸出特性曲線也發(fā)生改變，從而使最大功率點漂移，這將影響最大功率點跟蹤控制的精確性。所以，實際應用中，要實現(xiàn)MPPT必須綜合考慮各種復雜外界因素的影響。

圖2 不同溫度下光伏電池的輸出特性：

（a）不同溫度下U-I曲線；

（b）不同溫度下P-U曲線。

3 幾種MPPT算法

近年來，專家學者在MPPT算法方面做了大量的研究工作，提出了各種控制算法。目前實際應用較多的MPPT算法有：固定電壓跟蹤法、電導增量法和擾動觀測法等。

3.1 固定電壓跟蹤法

從圖1（a）光伏電池輸出U-I曲線可知，在一定溫度條件下，不同光照強度時光伏電池的最大功率點總是近似在某一個固定電壓Um附近，固定電壓跟蹤法就是利用這一特性，在光伏電池和負載之間通過一定的阻抗變換，使系統(tǒng)成為一個穩(wěn)壓器，光伏電池始終工作在固定電壓Um附近，從而得到最大功率輸出。

固定電壓跟蹤法的優(yōu)點是控制簡單方便，可靠性和穩(wěn)定性高。該控制方法的缺點是忽略了外界溫度對光伏電池輸出特性的影響，當溫度變化較大時控制精度較差。

3.2 電導增量法

電導增量法是通過比較光伏電池的增量電導和瞬時電導來實現(xiàn)最大功率點跟蹤。由光伏電池陣列的P-V特性曲線可知，最大值Pmax處的斜率為零，所以有以下公式：

這種跟蹤方法的優(yōu)點是當環(huán)境條件發(fā)生變化時，能夠快速跟蹤其變化，適合于天氣變化快的場所,但它對硬件的要求較高。

3.3 擾動觀測法

擾動觀測法的控制流程圖如圖3所示。其基本控制過程為：首先，讓光伏電池按照給定的參考電壓值Upv輸出，測量此電壓時的輸出功率，即P（K-1），然后再在這個電壓的基礎上疊加一個電壓擾動ΔU，測量疊加擾動電壓后的輸出功率，P（K）。比較P（K-1）和P（K）的大小，如果P（K）大于P（K-1），表明疊加電壓擾動后輸出功率增加，所給電壓擾動方向是使輸出功率增大方向，則繼續(xù)施加相同方向的擾動，下一時刻電壓為Upv=Upv+ΔU；如果P（K）小于P（K-1），表明疊加電壓擾動后輸出功率減小，所給電壓擾動方向不是使輸出功率增大方向，則給反方向的擾動，下一時刻電壓為Upv=Upv-ΔU，這樣循序漸進，使輸出功率逐漸逼近光伏電池的最大功率點。

圖3 擾動觀測法控制流程圖

擾動觀測法的優(yōu)點在于其結構簡單，被測參數(shù)少，在光伏系統(tǒng)最大功率跟蹤中廣泛應用。但是，這種跟蹤方法在系統(tǒng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點附近時，擾動將使系統(tǒng)在最大功率點附近振蕩，造成一部分功率損失；而且電壓初始值和跟蹤步長的選取對跟蹤速度和精度有較大的影響，ΔU較小時光伏電池可能會長時間工作于低功率輸出區(qū)，而且響應速度慢，不能快速跟蹤光照強度的變化；ΔU較大時將加大最大功率點附近的振蕩。

4 變步長擾動觀測法

5 仿真驗證

為了驗證變步長擾動觀測法的實際效果，進行了仿真研究。

在Matlab環(huán)境下，利用simulink工具，建立了光伏陣列的通用仿真模型和MPPT仿真控制系統(tǒng)[5]。 ⑴光伏電池的簡化等效電路如圖5所示。

其中：U-光伏電池輸出電壓，Iph-光生電流，Id-二極管結電流，Rs-串聯(lián)等效電阻，q-單位電荷（1.6×10-19），A-理想因子，K-玻爾茲曼常數(shù)，T-光伏電池表面溫度，I0-光伏電池暗飽和電流, KI-短路電流溫度系數(shù)，s-日照強度。

根據(jù)以上數(shù)學模型，結合SP75光伏電池模塊組標準條件下測試參數(shù)[7]，分別搭建Iph、I0、Uoc、Vt、K1仿真子模塊，最后根據(jù)式（4）組合成光伏電池仿真模型如下：

圖6 光伏陣列PV仿真模型

利用此模型建立最大功率點跟蹤算法的仿真系統(tǒng)見圖7，MPPT控制算法由M文件編寫的S函數(shù)中實現(xiàn)。

圖8 （a）固定步長擾動算法仿真波形；

（b）變步長擾動算法仿真波形

由仿真結果可知，采用固定步長擾動觀測法，當步長較大時雖然動態(tài)跟蹤速度快，但達到穩(wěn)態(tài)后輸出功率有一定波動，不夠穩(wěn)定。而采用變步長擾動觀測法則不僅動態(tài)響應速度較快，而且穩(wěn)態(tài)誤差小。

6 結論

本文對常規(guī)擾動觀測法加以了改進，提出了一種基于輸出特性曲線變化率的變步長擾動觀測法。通過仿真實驗，表明變步長擾動控制方法能同時保證系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能。

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