改進黃金分割法在光伏發電MPPT中的應用

韓偉，王宏華，賈艷剛

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100；2.中電電氣太陽能研究院有限公司，江蘇南京 211153)

改進黃金分割法在光伏發電MPPT中的應用

韓偉1,2，王宏華1，賈艷剛2

(1.河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100；2.中電電氣太陽能研究院有限公司，江蘇南京 211153)

在光伏發電系統中需要對光伏電池的最大功率點進行跟蹤來提高系統的輸出功率。以光伏電池輸出非線性特性為切入點展開研究，分析了常規算法的優缺點，針對其最大功率點跟蹤(MPPT)動態和穩態性能不佳等問題，提出了將改進黃金分割法(IGSS)應用于光伏發電系統中。在Matlab/Simulink下進行了建模和仿真，仿真結果表明該方法能夠迅速準確地跟蹤光伏電池的最大功率點，防止算法跟蹤方向誤判情況的發生，表現出良好的動態和穩態特性，證實了該算法的正確性和有效性。

改進黃金分割法；光伏發電；最大功率點跟蹤

光伏電池輸出特性具有明顯的非線性特性，在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，且隨著輻照度和溫度的變化而變化。所以，要提高光伏發電系統的整體輸出效率，就必須實時調整光伏電池的工作點，使其工作在最大功率點，這一過程稱為最大功率點跟蹤(maximum power point tracking, MPPT)。

MPPT的過程實質上是一個動態尋優的過程，即通過控制光伏電池兩端電壓來控制最大功率的輸出。目前較常采用的MPPT控制方法主要有恒定電壓法、擾動觀察法、電導增量法、最優梯度法、模糊控制法等[1]。恒定電壓法受結溫影響較大，控制精度低。擾動觀察法在MPP附近振蕩運行，導致功率損耗，在特定的情況下會判斷錯誤。電導增量法對系統硬件的要求較高。最優梯度法當輻照度變化迅速時，MPP將會出現誤判現象。傳統模糊控制的隸屬度函數所特有的性質使其在MPP附近來回擺動，仍有振蕩現象[2-4]。

基于此，本文對傳統的黃金分割法進行改進，以改善系統的動態和穩態性能，并進行了理論分析和系統的建模仿真。仿真結果表明，該算法能夠克服黃金分割算法的不足，高效準確地找到系統的最大功率點，同時有效地消除系統輸出功率在MPP附近存在的振蕩現象，從而提高了輸出功率。

1 光伏電池的模型和特性

由實驗測得光伏電池終端特性，得到實際使用的等效電路如圖1所示。

光伏電池單體的輸出電流、電壓關系如式(1)所示[5]：

圖1 光伏電池的等效電路模型

圖2 (a)相同、不同條件下U-P曲線; (b)相同、不同條件下U-P曲線

在實際光伏發電系統中，光伏電池的輸出功率往往同時受到溫度及輻照度變化的影響，總體而言，光伏電池的輸出功率隨著溫度的增加而產生減小的趨勢，光伏電池的輸出功率隨著輻照度的增加而產生增大的趨勢，因此光伏電池的實際輸出功率正是這兩種趨勢相互作用的結果。

2 改進黃金分割法

2.1 黃金分割法(GSS)

圖3 黃金分割法的搜索過程

所以，在每一次的迭代過程中，由這三個所決定的搜索區域都是等比例的間距，則該算法以一個恒定的速度收斂。

式中：φ是黃金率。這就是黃金分割法的由來[8]。

2.2 改進黃金分割法(IGSS)[9]

由分析推導可知：黃金分割法是在整個區間范圍內進行全局性搜索，前后兩次搜索區間的跳躍性較大。結合恒定電壓法可知，光伏電池MPP處的電壓約為開路電壓的0.78倍[10]，所以可以考慮縮小搜索區間。如果需要縮小到原搜索區間長度的0.1%，則一般要經過15次迭代。而事實上，當迭代次數達到8次時，搜索到的點已經非常接近MPP，誤差范圍也非常小。因此，為了克服上述兩點缺陷，提高搜索效率，減少迭代次數，提出了一種改進黃金分割法。

3 仿真及其分析

根據公式，利用Matlab/Simulink建立光伏仿真模型。其中光伏電池的常數模塊通常采用供應商所提供的重要參數值，此處設置oc=44.4 V、m=36.52 V、sc=5.4 A、m=4.81 A。用一個幅值從0 V逐漸升至50 V的線性信號源模擬電壓的變化。分別采用GSS和IGSS算法進行仿真研究，仿真波形如圖5、圖6所示。表1為兩種方法搜索結果對比。

表1 兩種方法搜索結果對比

為了衡量兩種搜索模型的有效性和精確性，使用誤差如式(7)來評價模型中每個步驟的搜索效果。

圖4 改進黃金分割法的流程圖

圖5 GSS的搜索過程

圖6 IGSS的搜索過程

由仿真結果可見，采用提出的改進算法不僅能夠減少迭代次數，而且能夠快速穩定在MPP附近。

4 結論

將IGSS算法應用于光伏電池的MPPT中，運用仿真軟件Matlab/Simulink建立系統仿真模型，分別將兩種算法對光伏電池的最大輸出功率進行仿真，并比較了兩者的控制效果。結果充分說明了IGSS算法能夠快速準確地跟蹤光伏電池的MPP，減少系統在最大功率點振蕩的能量損失，提高了光伏電池的輸出效率。

[1]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電應用技術[M].北京:化學工業出版社,2009.

[2]黃舒予，牟龍華，石林.自適應變步長MPPT[J].電力系統及其自動化學報,2011(5):26-30.

[3]盧靜，翟海清，劉純.光伏發電功率預測統計方法研究[J].華東電力,2010,38(4):563-567.

[4]HU J,ZHANG J C,WU H B.A novel MPPT control algorithm based on numerical calculation for PV generation system[C]//IEEE 6thInternational of Power Electronics and Motion Control Confer ence.US:IEEE,2009:2103-2107.

[5]茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型[J].系統仿真學報,2005,17(5):1248-1251.

[6]陳玉蓮，李俊文，高波.基于MATLAB的黃金分割法的優化設計[J].科技創新導報,2010(35):96.

[7]劉艷.關于黃金分割法的幾點討論[J].機電技術,2006(1):13-14.

[8]張矛盾，張淼，王鋒，等.基于隔離式Cuk電路的黃金分割法MPPT[J].陜西電力,2009(9):1-5.

[9]張雨虹，劉玉民，張一楊.基于黃金分割法的RBF神經網絡預測控制[J].唐山學院學報,2007(7):77-82.

[10]宋巨龍，錢富才.基于黃金分割法的全局最優化方法[J].計算機工程與應用,2005(4):94-95.

Improved golden section search application in maximum power point tracking of photovoltaic power generation

HAN Wei1,2,WANG Hong-hua1,JIA Yan-gang2

The output power of the photovoltaic system was increased by tracking of the maximum power point.The output nonlinear characteristics were taken as the starting point of research.The advantages and disadvantages of the conventional algorithms were analyzed.The problems,such as poor dynamic and steady-state performance of the maximum power point tracking(MPPT),were considered.The improved golden section search(IGSS)was applied to the photovoltaic power generation system.After modeling and simulation in Matlab/Simulink,the results indicate that quickly and accurately tracking the maximum power point of photovoltaic cells can be achieved,and the occurrence of the algorithm to track the direction of misjudgment of the situation can be prevented.Good dynamic and steady state characteristics were put up.The correctness and validity of the algorithm were confirmed.

improved golden section search(IGSS);photovoltaic power generation;maximum power point tracking (MPPT)

TM 615

A

1002-087 X(2014)02-0282-04

2013-06-20

江蘇省研究生培養創新工程(CXZZ12_0228)；國際科技合作項目(2009DFA61130)

韓偉(1986—)，男，江蘇省人，博士研究生，主要研究方向為分布式發電與微網。