太陽能最大功率跟蹤控制及其仿真

內蒙古電力公司 烏海電業局 武昱彤 武智勇

綠色能源在解決能源問題和減少環境壓力方面具有不可替代的作用，世界各國也越來越重視對綠色能源的研究。太陽能作為綠色能源的一種，具有儲量豐富、使用安全等優點，是目前技術利用相對成熟的一種可再生能源。然而，受不同地區光照強度和環境溫度等因素影響，將太陽能轉化為電能的光伏電池的穩定性并不理想。在不同的光照強度和環境溫度下，光伏電池的輸出功率會有較大波動，這導致整個光伏陣列的輸出特性呈現出非線性特征，降低了光伏列陣的電能輸出能力。因此，對光伏電池最大輸出功率進行跟蹤控制，使得光伏陣列在任何日照條件下動能不斷獲得最大輸出功率，以提高系統的工作效率，就顯得很有必要。

一、最大功率點（MPPT）跟蹤算法

光伏電池的開路電壓和短路電流受溫度、光照以及負載等因素影響，其輸出量隨著外界環境的變化而變化。光伏電池的U-I輸出曲線和P-V輸出曲線表明，即使在特定的溫度和光照條件下，光伏電池的最大功率點也不固定，而是不斷變化的。為了達到光伏電池在特定溫度和光照條件下的最大功率輸出，研究人員提出了最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT）策略。目前，主流研究MPPT策略的方法主要有實際測量法、擾動觀察法、短路電流法等策略。通過比較，本文，筆者選用擾動觀測法來實現對最大功率的跟蹤控制。

擾動觀察法的總體算法思路是：給光伏系統控制器輸入一個步長量，通過使用這個較小的步長，改變每個控制周期內的光伏陣列的輸出在。因為改變的步長值是固定的，所以干擾周期前后，光伏陣列的輸出功率值既可能增加，也可能減小。如果檢測到光伏陣列的輸出功率增加，就按照上一周期的方向繼續“干擾”，如果檢測到輸出功率減小，就改變“干擾”的方向，反方向繼續“干擾”。擾動觀察法就是通過不斷地加減步長，使得光伏陣列的實際工作點逐漸接近當前最大功率點。但是由于固定步長的存在，在工作點達到最大功率點附近后，就會在最大功率點附近不斷振蕩。為解決這一問題，筆者在此引入了參考電壓VREF，在得出比較結果后，通過調節參考電壓，使它逐漸接近最大功率點電壓；在調節光伏電池工作點時，要根據這個參考電壓進行調節。

二、 一種基于MPPT改進的擾動觀察法

雖然研究MPPT策略有很多方法，但目前比較常用的方法是擾動觀察法，具有簡單易懂、容易實現等優點。但是，傳統的擾動觀察法存在一個缺點，即光伏系統的工作點只能在光伏陣列最大功率點附近振蕩，而這種振蕩會產生一定的功率損失。為了彌補這一缺點，筆者對擾動觀察法做了進一步優化改進：當系統開始擾動時，在控制器內輸入一個合適的步長；當系統不發生擾動錯誤時，就按照此步長值擾動；一旦擾動方向發生錯誤，就將某個常數輸入到控制器，用初始步長減去這個值，使控制器按照這個新的步長向反方向擾動。當系統每發生擾動錯誤時，反復改變擾動步長值，直至步長減為0，此時的光伏陣列實際工作點就穩定在最大功率點處。改進的算法流程如圖1所示。

圖1 改進的擾動觀察法的算法控制流程

此外，筆者在MATLAB環境下搭建仿真模型，對比兩種方法的實驗結果。仿真的時間為1 s，溫度為25℃，算法采用變步長ode23 th。當光照強度從0.55 kW/m2躍升為1.0 kW/m2時（在0.1 s時發生突變），對BOOST電路輸出功率進行對比。通過實驗圖形可以看出，當光照強度發生突變時，改進的擾動觀察法僅需0.05 s就能達到穩定工作狀態，這樣能有效減少因振蕩現象引起的能量損耗，實現了對光伏陣列最大功率點的快速跟蹤和精確控制。

三、結論

本文，筆者基于光伏電池最大功率點跟蹤控制技術，對光伏電最大功率點（MPPT）跟蹤算法進行了介紹，提出一種經過改進的新型擾動觀察法，并通過MATLAB進行了系統仿真型。得到的仿真結果表明，該方法可有效減少傳統擾動觀察法帶來的誤判功率損失，從而優化了系統的動態響應速度和穩定度。