基于U、I、P、T多變量協同控制的MPPT研究

龍濤元，宋國翠

（中山火炬職業技術學院 電子工程系，廣東 中山 528436）

太陽能資源近乎無限，利用光伏電池組件直接將太陽能轉變為電能是一項具有廣闊前景的綠色能源應用技術。當前光伏電池輸出特性受垂直入射太陽電池板的光照強度，以及溫度影響，且是非線性的。為了盡可能提高太陽能電池輸出功率，需要不斷地調整后級電路的等效輸入阻抗，以確保太陽能電池能夠輸出最大功率，提高發電效率。因此最大功率跟蹤—MPPT（Maximum Power Point Tracking）技術是光伏發電系統研究的熱點之一。

當前實現MPPT技術的方法有固定電壓法、擾動觀察法、增量電導法、模糊控制、神經網絡等其它在擾動觀察法、增量電導法，以及固定電壓法基礎上改進的方法[2]。無論哪種MPPT方法，跟蹤速度和精度是衡量MPPT方法的最重要技術指標，實現MPPT方法的硬件成本也是重要考慮因素之一。本文提出基于電壓（U）、電流（I）、功率（P）（簡稱 UIPT）多參量的 MPPT控制方法，實現提高跟蹤效率和精度，以及較小的硬件開支。

1 UIPT多變量MPPT法

1.1 太陽能電池特性

圖1為太陽能光伏電池的等效電路，其中為Iph光生電流，能夠反映垂直入射太陽能電池板的光照強度和光照面積；ID為光電池反向飽和電流，是光伏電池內部暗電流，能反映溫度對電池板的影響；Rsh為光電池的并聯電阻；Rs為光電池的串聯電阻；IL為負載電流，即太陽能電池板的輸出電流；Uo為負載2端電壓，即光伏電池帶負載RL時的輸出電壓。

根據太陽能電池等效電路，可得上述變量之間的相互關系，即太陽能電池的數學模型，見表達式（1）。其中Io為太陽能電池內部等效二極管的反向飽和電流，近似常數；A為太陽能電池內部P-N結曲線；q為電荷常量；k為玻爾茲曼常數；T為太陽能電池環境溫度。

圖1 太陽能電池等效電路Fig.1 The equivalent circuit of solar cell

考慮Rs非常小，Rsh非常大，根據表達式（1），可知太陽能電池短路輸出電流Isc近似等于Iph，即Isc主要受光照強度影響，且光照強度增加，Isc增加；如果不能忽略Rs，則短路輸出電流Isc略受環境溫度影響，且溫度上升，Isc增加。而開路電壓Uoc同時受到光照強度和溫度影響，根據表達式（1），Uoc與環境溫度成反向關系 ，即溫度增加，Uoc降低；Uoc與光照強度成正向關系 ，即光照強度增加，Uoc增加。根據太陽能電池的數學模型，可以得到太陽能電池的電壓端電壓（U）、輸出電流（I）、輸出功率（P）3個變量在光照強度變化的關系曲線，見圖2所示，以及環境溫度變化的關系曲線，見圖3所示。

圖2 溫度一定，不同光照強度的U、I、P關系曲線Fig.2 Constant temperature and different illumination， the relation curve of U，I， and P

圖3 光照強度一定，不同溫度的U、I、P關系曲線Fig.3 Constant illumination and different temperature， the relation curve of U， I， and P

根據圖2，圖3分析太陽能電池的U、I、P關系曲線可知，光照強度增強，最大輸出功率、電流均增加，而最大功率輸出點增加，但增加幅度不大；溫度增加，最大輸出功率略微減小，電流小幅增加，最大輸出功率點減小。因此，恒壓法是無法確保太陽能電池在溫度和光照強度變化時依然保持最大功率輸出。增量電導法，即依據dP/dU找出最大輸出功率點，盡管在速度和精度上效果都不錯，但存在是精度與速度的矛盾關系，另在尋求過程中，環境的變化容易導致增量電導法出現誤判。其他改進方法都有其各自的特點，但在控制實現難度，控制速度和精度等方面都存在一定的不足。UIPT多變量MPPT方法考慮簡單易實現，也考慮跟蹤的效率和精度。

1.2 UIPT多變量協同控制原理

以圖 4（a），（b）來說明 UIPT 多變量系統控制原理，現定義第n次采樣值電流用In、電壓用Un、功率用Pn表示，溫度用Tn表示；第n+1次采樣值電流為 In+1、電壓為Un+1、功率用 Pn+1表示，溫度用Tn+1表示。現以連續2次采樣的功率大小關系加以說明。

圖4 工作電壓增加，輸出功率點位置變化情況Fig.4 Increasing output voltage，the change of output power

若 Pn+1＞Pn，如圖 4（a）所示，無論因光照變強使得第 n+1次功率點在2′，或因光照減弱在2″，以及因光照強度基本不變在2處。只要Pn+1＞Pn，就可以確認Un+1

若Pn+1

在正確判斷功率點位置后，需要根據dP/dU的大小自動調整步長大小。UIPT多變量協同控制策略流程圖如圖5所示。圖中εi為電流變化因子，用于判斷光照強度是否變化的閥值，ε為在dP<0條件下的電流變化因子，用于判斷工作點是在最大工作點右側與否。kc為步長固定增量因子，kv為根據dP/dU的大小的變步長因子，自行隨著dP/dU的大小改變大小和極性，使得在dP/dU=0時，kc+kv=0，即Dk=Dk-1，實現最大輸出功率點跟蹤。

2 實 驗

文中以BUCK變換器作為DC/DC變換電路，建立基于UIPT多變量協同控制的仿真模型如圖6所示，工作過程為：檢測太陽能電池輸出電壓和電流，經過MPPT S-Function和PWM模塊調節MOSFET的PWM驅動信號的占空比，得以實現改變等效阻抗，使太陽能電池輸出電壓在最大輸出功率點Upm。

實驗條件：環境條件——考慮光照強度850持續時間0.2 s，然后上升至 1 000，再持續 0.2 s，然后又降至 900，T=30℃；太陽能電池參數：T=25℃時，Uoc=24 V，Isc=9 A，采用UIPT多變量協同控制仿真獲得太陽能電池的輸出功率曲線如圖7（a）所示，采樣固定步長法獲得功率曲線如圖 7（b）所示。圖7（a）與（b）比較，表明UIPT多變量協同控制能夠快速穩定地追蹤到最大輸出功率點。

圖5 UIPT多變量協同控制流程圖Fig.5 The flow chart of UIPT cooperative control

圖6 基于UIPT多變量協同控制的MPPT仿真模型Fig.6 MPPT Simulink model based on UIPT cooperative control

3 結 論

文中提出了基于UIPT多變量協同控制的MPPT算法，該算法避免了誤判問題，進行溫度補償，可在復雜的環境條件下實現太陽能電池的最大輸出功率跟蹤，且具有良好的追蹤速度和穩定性。通過Matlab/Simulink建立仿真系統，仿真結果驗證了該方法的可行性。

圖7 在上述測試環境下，不同MPPT方法下的輸出功率Fig.7 The output power of different MPPT in above mentioned test conditions

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