光伏發電最大功率跟蹤算法的改進

尚冬梅 劉黨軍 柴 鈺 白 云 安靜宇 狄常馨

（1.西安科技大學工程訓練中心，陜西 西安710054；2.國網甘肅省電力公司檢修公司，甘肅 蘭州730000）

當電力、煤炭、石油等不可再生能源頻頻告急，能源問題成為制約社會經濟發展的瓶頸時，我們開始尋求經濟發展的新動力，由于太陽能分布廣泛，不受地域限制，可直接開發和利用，不需要開采和運輸。無污染，能源巨大等優點無疑成為經濟發展的新動力，而太陽能的主要使用方式是光伏發電。光伏發電是利用光伏電池這種半導體器件，有效吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能的直接發電方式。

1 光伏電池的原理結構及其輸出特性

1.1 光伏電池的原理結構

光伏電池是能量轉換的器件，有光照時，光伏電池吸收光能，電池兩端出現正負電荷的累積，即“光生伏特效應”，使得光伏電池的兩端產生電動勢，將光能轉換成電能。光伏電池的基本特性類似于二極管。具有適當能量的光子入射于半導體時，光與半導體相互作用產生電子和空穴，并分別聚集于兩個電極部分，即負電荷和正電荷聚集于兩端，有電荷流動產生電能。這與傳統的發電方式相比，沒有噪聲也不排出廢氣，是清潔的發電方式。

1.2 光伏電池的輸出特性

光伏電池的伏瓦特性曲線受光強和溫度的影響很大，不同溫度和光強下的最大功率點也不相同，光強越強，光伏電池輸出的功率也就越大，溫度則相反，溫度越高，輸出功率反而降低，但是幅度不是很大。由于一天中光強和溫度都在不斷的變化之中，為了使光伏電池在任何溫度和光照下都能實現最大功率輸出，就需要加入最大功率跟蹤控制器。

2 光伏陣列MPPT控制方法

光伏陣列對整個太陽能光伏發電系統起著很重要的作用，是電能的來源。光伏陣列的輸出功率受光照強度和溫度等因素的影響，是非線性的。而且，輸出功率也會隨著負載變化，只有當兩者實現阻抗匹配時，光伏陣列才能輸出最大功率，這時的工作點稱為光伏陣列的最大功率點 (Max Power Point，MPP)。根據外部環境參數和負載的不同來調節光伏陣列，使其輸出最大功率，這個調節過程叫做最大功率點跟蹤 (Max Power Point Tracking，MPPT)。本文分析了恒定電壓法，擾動觀察法存在的缺點，提出了恒壓法結合擾動觀察法，并進行了仿真研究。

2.1 恒定電壓法

恒定電壓 (Constant Volitage)法，光伏陣列在最大功率輸出點時的工作電壓，與開路電壓存在近似的比例關系。利用這個特性進行控制的最大功率跟蹤控制法，即恒定電壓法。

當忽略溫度影響時，針對光照強度這一因素的影響，其輸出特性曲線的最大功率點幾乎分布于一條垂直線L的兩側，這說明太陽能電池輸出的最大功率點大致對應于某個恒定電壓，這就大大簡化了系統MPPT的控制設計，即人們僅需從生產廠商處獲得Um數據并使太陽能電池的輸出電壓鉗位于Um值即可，實際上是把MPPT控制簡化為穩壓控制，這就構成了CVT式的MPPT控制。

2.2 擾動觀察法

不斷給光伏電池的輸出電壓或輸出電流施加微小的擾動，并判斷每施加一次擾動后功率的變化方向，從而確定下一時刻電壓擾動量的大小（步長）和方向。在進行尋優搜索的程序流程中引入了一個參考電壓Uref，為了讓U不斷地跟蹤Uref，在尋優過程中不斷地更新，使Uref逐漸逼近相應于陣列最大功率點的電壓。

擾動觀察法不能迅速跟蹤最大功率點，輸出功率在最大功率點附近發生振蕩，還會出現誤判現象，且不能迅速跟蹤最大功率點。

2.3 恒壓法結合擾動觀察法

恒壓法只能保證光伏電池工作在最大功率點附近，擾動觀察法在最大功率點附近有振蕩現象，所以當外界環境或負載發生突變時，由恒壓法實現最大功率跟蹤，當系統實現恒壓法控制的目標后，在最大功率點附近采用擾動觀察法。步長可遠小于傳統擾動觀察法中的擾動步長，在穩態時可有效減小系統在最大功率點附近的振蕩現象。流程圖如圖1。

系統在k時刻光伏陣列的輸出電壓及輸出電流分別為K和I，根據光伏陣裂的輸出電壓判斷系統的工作狀態：①如果光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓士△V之外，執行恒壓控制算法;②光伏陣列的輸出電壓在恒壓控制算法設定的電壓士△v之內，進行小步長的擾動觀察法;③修改恒壓控制算法設定的電壓為K。該過程不斷重復直到△p近似等于零，此時系統工作在最大功率點。

圖1 恒壓法結合擾動觀察法流程圖

圖2 擾動觀察法仿真波形

圖3 二者結合仿真波形

3 基于MATLAB/SIMULINK的MPPT算法的仿真分析

為了驗證所提方法的有效性，分別對擾動觀察法與恒壓法和擾動觀察法相結合法進行了仿真驗證，仿真對象為上面提到的太陽能電池板，標準環境參數下的檢測值分別為Isc=1.02A，Voc=23.77V，Im=0.83A，Vm=16.89V。使用擾動觀察法，恒壓法結合擾動觀察法進行最大功率跟蹤。由光伏電池的輸出電壓、實時溫度值、光照強度、短路電流等參數計算出光伏電池的輸出電流，并假定負載為恒壓源負載，光伏電池和負載都用Boost電路進行最大功率跟蹤。下圖為光強度恒定為1000W/S2同時溫度為25℃時的輸出波形。

可見雖然兩種方法都能實現最大功率點的追蹤，擾動觀察法輸出功率雖然穩定一個小范圍之內，但是振蕩嚴重，能量損失較大，且出現了誤判現象。而恒壓法結合擾動觀察法有效地減少了最大功率附近的振蕩，并能迅速實現最大功率的追蹤。

4 結論

本文使用MATLAB/SIMULIK對光伏電池建模仿真，得到其輸出特性，證明光伏電池的存在最大功率點。在深入了解各種最大功率算法的優缺點基礎上，提出改進方案，即將恒壓法和擾動觀察法相結合，并通過MATLAB仿真，驗證了所提方案有效的提高了光伏電池的效率。

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