一種用于光照快速改變光伏MPPT控制算法

楊海柱， 劉 潔， 袁松振， 曾志偉

（1.河南理工大學電氣工程與自動化學院，河南焦作 454000；2.河南理工大學計算機科學與技術學院，河南焦作 454000；3.六盤水師范學院物理與電子科學系,貴州六盤水 553004）

最大功率點跟蹤 (maximum power point tracking，簡稱MPPT)技術，是光伏發電系統中的關鍵技術之一。光伏電池輸出的最大功率點不但取決于光照，還有環境溫度條件。光伏電池工作最好結果就是負載匹配在電池輸出的最大功率點處。但是，由于最大功率點主要取決于光照強度，因此在不同的光照強度下很難達到最佳匹配。目前的MPPT控制方法主要有固定電壓（CVT）法、擾動觀察（PO）法、增量電導（IC）法[1-3]，或是在這幾種方法基礎上進行的改進算法。CVT算法的缺點是MPPT精度差，控制適應性差；PO算法優點是算法簡單，但缺點是穩態時，只能在最大功率點附近振蕩運行，使得輸出功率具有振蕩；IC算法，包括變步長IC算法，盡管考慮到了適應環境變化，但是由于控制作用較強，因此輸出功率有所波動，控制算法較復雜[4]。本文提出一種新型的MPPT控制算法，在CVT和PO的基礎之上，添加光照環和溫度環，并且針對PO的不足引入一個判別閾值，使得系統能夠快速啟動的同時，還能適應光照和溫度劇烈變化，并且減小輸出的震蕩。

1 光伏陣列的特性

太陽電池是一種光電轉換的半導體裝置，其產生的電壓和電流分別受溫度和光照強度的影響。當受光照射的太陽電池接上負載時，光生電流流經負載，并在負載兩端建立起端電壓。這時太陽電池的工作情況可用圖1所示的等效電路來描述。

圖1 太陽電池等效電路

當流進負載R0的電流為I0，負載的端電壓為V0時，由圖1可得到如下的解析式：

式中：Ig為光生電流；Id為二極管飽和電流；q為電荷電量(l×10－19C)；A 為 二 極 管 因 子 ；K 為 波 爾 茲 曼 常 數(1.38×10－23J/K)；T 為開氏溫度，K；V0為電池的輸出電壓；I0為電池的輸出電流；Rs為等效串聯電阻；Rsh為等效并聯電阻。

根據光伏電池等效電路圖建立其仿真模型，調節電阻負載的大小進行采樣，當光照和溫度變化時光伏陣列的特性曲線如圖2所示[5]。

圖2 光伏電池特性曲線

從圖2中可見光伏電池的輸出特性受光照強度和溫度的影響極大。每條特性曲線對應一個最佳的工作點。MPPT的作用就是在系統運行的時候找到這個運行的最佳工作點，使得光伏電池板輸出當時的最大功率。現有的一些常用MPPT算法在光照強度變化不大的情況下，基本能滿足要求，但是如果在夏天或天氣多變等一些多云天氣里，很多情況下，跟蹤效果不理想，因此在進行MPPT算法研究的時候，有必要把天氣瞬變和溫度條件考慮進去。

2 最大功率點跟蹤（MPPT）

本文提出的MPPT算法如圖3所示。系統啟動的時候，能夠直接檢測到光伏電池的開路電壓Voc，此時，應用CVT算法的快速性，直接設置參考電壓Vref為0.78Voc[4]，這樣就能夠保證系統啟動的快速性，但是不能保證準確性。系統經過CVT啟動之后，在對MPP進行準確的跟蹤。此時系統包含兩個環節：光照環和溫度環。通過檢測電流的變化大小進行確定外界環境的變化強度，以此決定系統算法使用溫度環或是光照環。其中ε是設定的閾值。

圖3 新型MPPT控制流程圖

光照環：如圖4所示，當光照強度從1 000mW/cm2突降到200mW/cm2的時候，系統的工作點會從“a”點轉到“b”點。這是因為系統電壓不能突變，而此點的電壓對應于光照強度為200mW/cm2時的特性曲線上的“b”點。“a”點是光照強度為1 000mW/cm2時的最大功率點，“c”點是光照強度為200mW/cm2時的最大功率點，“b”點是僅僅是在“c”點右邊的一點，并不是最大功率點。為了避免系統跟蹤失敗，MPPT算法就要不斷地減小參考電壓，使得系統工作點不斷地向左滑動，直到靠近了新的最大功率點“c”；相反的，如果光照強度從200mW/cm2瞬變到1 000mW/cm2，系統工作點就會從“c”變到“d”點，然后系統的參考電壓就會不斷地增加，直到系統工作點靠近到“a”點——1 000mW/cm2光照強度下的最大工作點。Δv1是擾動總量，取決于功率變化的大小，也就是其值是由功率曲線的斜率確定的。這樣就能降低光伏電池的功率損失，同時還能使系統快速地適應光照強度的劇烈變化。

圖4 MPPT跟蹤示意圖

溫度環：當光照基本保持恒定的時候，也就是圖3所示的算法中，兩周期電流差值小于設定閾值時，溫度環開始工作。因為風或者一些其他的大氣條件的變化，導致光伏電池溫度改變，從而改變了電池輸出的特性，這種變化有時候比光照帶來的變化更值得關注。從圖2所示的光伏電池輸出特性曲線圖上可見，當外界溫度變化導致光伏電池溫度改變的時候，其最大功率工作點也會隨之發生變化。因此，為了使光伏電池工作在最佳輸出狀態，外界環境溫度也要考慮進MPPT算法中。

環境溫度的變化幅度不會太大，故溫度環使用的是常用的PO法，其算法簡單，實現較為方便。但PO法在穩態時，只能在最大功率點附近振蕩運行；存在著因功率跟蹤過程中非單調性造成的誤差；存在著因PO法自身算法的缺陷，而在日照強度變化時產生跟蹤錯誤[5-6]。

對PO法的改進即在其基礎上加上判別閾值。當工作點已經跟蹤到最大點附近，系統導數值已經接近零，即電池電壓特性曲線工作點的切線將近水平，說明工作點已經無限接近最大功率點，而因為環境干擾或器件精度的影響，導數值不太可能等于零，系統將會繼續跟蹤，在最大點附近來回跳動，輸出電壓也會隨之波動，影響功率輸出穩定性。故算法中設置一個閥值δ，當功率對電壓的導數值的絕對值小于δ時，即圖3所示的算法中|D|＜δ時，認為已經跟蹤到最大功率點，暫停對工作電壓的擾動，但程序還繼續對系統進行監測，當|D|＞δ時，恢復對電壓進行擾動跟蹤。閾值的使用可使系統輸出更穩定。

3 仿真研究

為了驗證MPPT算法的有效性，基于Matlab/Simulink軟件，對其在日照和溫度兩個方面的變化進行了仿真。以實驗室現有的Sharp NT-R5E3E 175 W太陽電池板為輸入仿真對象，電池參數 為 ：Umpp=35.4 V，Impp=4.95 A，Uoc=44.4 V，Isc=5.55 A。光照環：溫度為25℃，設置初始光照強度為1 000mW/cm2，0.1 s 的時候光照突變到 600mW/cm2，0.2 s 時在突變到1 000mW/cm2；溫度環：光照強度為1 000mW/cm2，設置初始初始溫度為35℃，此處使用夸張的仿真手法，模擬環境溫度在0.1 s的時間內，線性減小到25℃。搭建的仿真電路如圖5所示。

圖5 新型MPPT仿真圖

圖6為PO算法光照強度突變時輸出功率的仿真結果。通過圖6可見，系統啟動時有振蕩，達到最大功率點175W之后具有小幅的振蕩，在0.1 s的時候，光照突降，系統還能跟蹤上MPP，但是在0.2 s的時候，光照突升，系統在開始的時候跟蹤失敗，之后才最終跟蹤到MPP，但是，輸出的功率具有振蕩。圖7為帶有溫度環和光照環的新型MPPT算法在光照突變時輸出功率，該算法啟動時間不到0.025 s，且啟動平穩，之后在溫度環的控制之下穩定輸出在175W的最大功率上；光照突降時，光照環開始工作，在0.05 s之內使系統穩定工作在最大功率點上。0.2 s時，光照強度突然升高，此時光照環同樣可在0.05 s之內使系統穩定在175W的最大功率點上工作。可見新型MPPT算法啟動性能好，應對光照突變能力強，穩定之后震蕩小。

圖8為溫度變化時的輸出功率的仿真結果，因為溫度不能突變，故此加上線性輸入，使得溫度呈一個簡單的線性變化，即：溫度在0.1 s之內，從35℃降到25℃，通過圖8可見，系統跟蹤效果良好，在溫度達到25℃時，系統跟蹤到輸出功率為175W。跟蹤效果好。

圖6 PO算法下光照突變時輸出功率

圖7 改進算法下光照突變時輸出功率

圖8 改進算法下溫度變化時輸出功率

4 結論

光照強度和溫度對太陽電池的輸出特性影響巨大，為了快速、準確地跟蹤到最大功率點，在算法中加入CVT啟動、光照環、溫度環，同時在溫度環中使用的PO算法中加入判別閾值，使其輸出波動減小。結果表明，系統啟動速度快，同時當外界環境變化的時候，也能快速、準確地跟蹤到最大功率點，并且整個系統工作穩定。

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