固定電壓法與改進電導增量法結合的光伏發電系統最大功率點跟蹤

崔東君，彭 宇，楊 進

(國網北京順義供電公司，北京 101399)

固定電壓法與改進電導增量法結合的光伏發電系統最大功率點跟蹤

崔東君，彭 宇，楊 進

(國網北京順義供電公司，北京 101399)

由于光照強度、光伏陣列溫度、負載時時變化，使光伏電池陣列的最大功率點也發生變化，需采用適當的最大功率點跟蹤(MPPT)算法提高光伏轉換率。提出固定電壓法與改進的電導增量法結合的MPPT方法，先采用固定電壓法將光伏陣列的工作點調整到最大功率點附近，以保證跟蹤的快速性；而后利用變步長的電導增量法，使工作點電壓與最大功率點電壓近似相等。仿真結果表明，固定電壓與電導增量法結合追蹤最大功率點能夠快速、準確地跟蹤光伏陣列的最大功率點，減少了在最大功率點振蕩的能量損失，提高了光伏發電系統的能量轉換率。

光伏陣列；最大功率點跟蹤；固定電壓法；改進電導增量法

0 引 言

目前新能源發電技術蓬勃發展，尤其是光伏發電的應用已經進入尋常百姓家庭。政府的政策扶植和電力公司購買發電客戶電能流程的便捷程度都促使著光伏發電應用的迅猛發展。光伏發電具有無噪聲、無污染、取之不盡、用之不竭等優點，是一種前景廣闊的綠色能源[1]。

從光伏發電技術上說，發電效率仍有待提高，以便為發電客戶帶來更大的經濟效益。光伏發電系統中制約發電量的主要因素是電池陣列的發電量受環境因素影響。電池表面溫度和日照強度的變化都可以導致輸出特性發生較大的變化，另外光伏電池的轉換效率低且價格昂貴。因此需要加裝最大功率追蹤(maximum power point tracking, MPPT)裝置，捕捉光伏電池的最大功率點，提高太陽能的利用率。常用的MPPT方法為擾動觀察法、固定電壓法、增量電導法。其中擾動觀察法被測參數少，易于實現，但在最大功率點附近會產生振蕩，環境變化較快時功率損失大且可能發生誤判；固定電壓法最為簡單，但其忽略了溫度變化的影響，正逐漸被其他方法取代；電導增量法通過修改邏輯判斷式減小了振蕩，但在步長和閾值的選擇上存在一定的困難[2]。

下面將固定電壓法與改進的電導增量法相結合跟蹤最大功率點，當外界環境突變時，采用固定電壓法將光伏陣列的工作點電壓調整到最大功率點附近，以保證跟蹤的快速性。在此基礎上，采用變步長的電導增量法進一步靠近最大功率點，提高光伏陣列的利用效率。兩種方法相結合，相互取長補短，達到高效追蹤最大功率點的目的。

1 光伏電池特性

1.1 光伏陣列的數學模型[3]

定義tc為在任意太陽輻射強度R(W/m2)及任意環境溫度ta(°C)下的電池溫度，則有如下公式：

tc=ta+t*R

(1)

式中，t*為光伏電池模塊的溫度系數，℃·m2/W。

在參考條件下，Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um為最大功率點電流和電壓，則當光伏陣列電壓為U，其對應的電流I為

(2)

(3)

C2=(Um/Uoc-1)1n(1-Im/Isc)

(4)

考慮太陽輻射變化和溫度變化時

(5)

dI=αR/Rref·dt+(R/Rref-1)Isc

(6)

dU=-βdt-RsdI

(7)

dt=tc-tref

(8)

式中，Rref、tref為太陽輻射和光伏電池溫度參考值，一般取1 kW/m2，25 ℃；α為在參考日照下，電流變化溫度系數，A/℃；β為在參考日照下，電壓變化溫度系數，V/℃；Rs為光伏模塊的串聯電阻，Ω。

1.2 光伏電池特性曲線

光伏電池既非恒流源，也非恒壓源，而是一種非線性直流電源。其輸出電流在大部分工作電壓范圍內近似恒定，在接近開路電壓時，電流下降很大。選用光伏電池在不同溫度、輻射強度下的P-U特性曲線如圖1、圖2所示。

圖1 不同光強條件下電壓和功率的關系曲線

由圖1可見，光伏電池在任何時刻都存在一個最大功率輸出的工作點，而且隨著光強和溫度的變化而變化。因此需采用MPPT控制，跟蹤不同條件下的最大功率點，提高光伏電池能量的利用率[4]。

2 MPPT控制算法

2.1 固定電壓法原理

不同日照時的陣列最大功率點位置基本都位于某個恒定電壓Um=const(const為常數)的垂直線附近，特別是日照比較強時該點距離Um更近。在工程上允許把最大功率點出現的軌跡近似處理為一根電壓垂直線Um=const，且最大功率點電壓約為開路電壓的78%。調整工作點電壓至0.78Uoc處以提高光伏陣列的效率，Uoc為開路電壓值[5]。

2.2 電導增量法原理

電導增量法是通過比較光伏電池陣列的瞬時導納與導納變化量的方法來完成最大功率點的跟蹤。

P=U×I

(9)

(10)

(11)

其達到最大功率點的條件是當輸出電導的變化量等于輸出電導的負值時，光伏電池陣列工作于最大功率點。隨后通過比較光伏陣列的電導增量和瞬間電導來改變控制信號，在電導增量大于瞬間電導的區域增加工作電壓，在電導增量小于瞬間電導的區域減小工作電壓，當兩者相等時，電壓保持不變；在電壓不變電流增加時，增加工作電壓，在電壓不變電流減小時，減小工作電壓。電導增量法控制流程圖[6]如圖3所示。

2.3 固定電壓法與改進電導增量法結合的MPPT

利用固定電壓法可將工作點電壓與最大功率點電壓之差減小，但工作點還未到最大功率點。但固定電壓法跟蹤最大功率點忽略了溫度對光伏陣列的影響。當溫差較大時固定電壓法的精度較低。進而引入電導增量法使工作點進一步向最大功率點靠近。

圖3 電導增量法最大功率點追蹤控制流程圖

傳統的電導增量法能夠根據外界環境的變化做出正確的跟蹤判斷，但它的步長是固定的。步長過小會造成功率損失，步長過大又會是光伏陣列在最大功率點處振蕩加劇[7]。針對以上不足，引入將固定跟蹤步長改為可變步長，并且根據工作點離最大功率點的遠近調整步長大小的方法。下面分別加以說明。

由光伏陣列的P-U曲線可知，在最大功率點Pmax處有dP/dU=0，而在其它點dP/dU均不為0。因此令step=N·|dP/dU|作為算法中步長數據，N為比例因子。當工作點與最大功率點很近時，|dP/dU|隨之減小，以較小步長調整工作點電壓；當工作點遠離最大功率點時，|dP/dU|隨之增大，以較大步長調整工作點電壓[8]。

先采用固定電壓法進入最大功率點附近后，改用變步長方法進行MPPT的控制方法。相對于傳統的MPPT方法，該方法控制效果好，調整速度快，適應于不同環境下的控制情況。其步驟為：當光伏陣列輸出電壓在固定電壓控制算法設定的電壓±ΔU之外，執行固定電壓算法；當光伏陣列的輸出電壓在控制算法設定的電壓±ΔU之內，進行變步長的電導增量法；在執行電導增量法時，根據|dP/dU|不斷調整步長大小。算法流程圖如圖4所示。

3 仿真分析

利用Matlab(一種數學計算與仿真分析軟件)軟件對常用的固定電壓法(即constantvoltagetracking，CVT)、擾動觀察法(perturbationandobservation，P&O)、電導增量法(incrementconductance，INC)的最大功率點跟蹤情況進行仿真分析。將這3種方法的結果與固定電壓法與電導增量法結合的方法進行比較，說明固定電壓法與電導增量法結合的最大功率點跟蹤有其優勢。

圖4 固定電壓與電導增量結合的最大功率點追蹤控制流程圖

以尚德公司生產的STP-260光伏陣列為例，其參數為：Isc=8.09A，Uoc=44.0V，Im=7.47A，Um=34.8V，短路電流溫度系數為0.055%，開路電壓溫度系數為-150mV/k。仿真溫度設為t=50 ℃，通過仿真得到在S=1 000W/m2時最大功率點功率為260.5W，在S=400W/m2時的最大功率點功率為97.34W。在0.2s時光強從S=1 000W/m2變化到S=400W/m2，在0.3 s時光強從400W/m2變化到1 000W/m2。采用固定電壓法、擾動觀察法、電導增量法和固定電壓法與電導增量法結合的方法(簡稱結合法)分別進行MPPT仿真。根據光伏陣列的輸出電壓、溫度、光強、短路電流溫度系數及開路電壓溫度系數計算出光伏陣列的輸出電流。

表1 不同追蹤方法的輸出功率均值

圖5～圖8為不同方法的仿真波形比較，圖9表示結合法中固定電壓法執行時間，縱坐標為1表示MPPT執行的是固定電壓法；為0表示MPPT執行的是電導增量法。表1列出了各方法下的輸出功率均值。

圖5 固定電壓法輸出功率曲線

圖6 擾動觀察法輸出功率曲線

圖7 電導增量法輸出功率曲線

圖8 結合法輸出功率曲線

圖9 結合法中固定電壓法運行時間

從圖5可以看出，固定電壓法能迅速到達最大功率點附近，但當外部環境條件發生變化時，固定電壓法功率損失較多；圖6所示Δd=0.01的擾動觀察法，此處步長選擇較小，跟蹤速度較慢，若選擇大步長則會產生較大振蕩；圖7為電導增量法，其跟蹤速度較慢，準確性和擾動觀察法相近；圖8為結合法，其具有了固定電壓法的快速性，又有電導增量法的準確性。在光強突變時結合法采用固定電壓法對最大功率點進行快速跟蹤，使工作點快速移動到最大功率點附近；在穩態輸出時，采用電導增量法，不斷逼近最大功率點。

表1數據顯示固定電壓與電導增量結合的方法跟蹤效果高于其他方法，從仿真分析可知，結合法能更有效地跟蹤最大功率點，使輸出功率更大。

4 結 論

在常用的MPPT算法基礎上提出了固定電壓法與電導增量法結合的MPPT算法。該方法在固定電壓法的基礎上加入了電導增量法。先利用固定電壓法將工作點電壓快速調整到最大功率點附近，再由變步長的電導增量法準確跟蹤最大功率點，此處對電導增量法步長的選取進行了改進，引入變步長的電導增量法，使其跟蹤效率進一步提高。最后的仿真說明此方法切實有效。

[1] 王巖，李鵬，唐勁飛.基于模糊參數自校正PID方法的光伏發電系統MPPT控制[J].電力自動化設備，2008，28(3)：55-58.

[2] 周林，武劍，栗秋華，等.光伏陣列最大功率點跟蹤控制方法綜述[J].高電壓技術，2008，34(6)：1145-1154.

[3] 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.

[4] 喬興宏，吳必軍，鄧贊高，等.模糊/PID雙模控制在光伏發電MPPT中應用[J].電力自動化設備，2008，28(10)：92-95.

[5] 熊遠生，俞 立，徐建明，固定電壓法結合擾動觀察法在光伏發電最大功率點跟蹤控制中應用[J].電力自動化設備，2009，29(6)：85-88.

[6]Tac-YeopKim,Ho-GyunAhn,SeungKyuPark,etal.ANovelMaximumPowerPointTrackingControlforPhotovoltaicPowerSystemunderRapidlyChangingSolarRadiation[C].ProceedingofIEEEInternationalSynposiumonIndustrialElectronics,2001:1011-1014.

[7] 陳興峰，曹志峰，許洪華，等.光伏發電的最大功率跟蹤算法研究[J].可再生能源，2005，119(1)：8-11.

[8] 馮冬青，李曉飛.基于光伏電池輸出特性的MPPT算法研究[J].計算機工程與設計，2009，30(17)：3925-3931.

As the light intensity, photovoltaic array temperature and load change from time to time, the maximum power point tracking (MPPT) of photovoltaic cell array is changed too, so it needs to adopt the appropriate MPPT algorithm to improve the photovoltaic conversion rate. The MPPT algorithm combined with constant voltage method and improved incremental conductance method is proposed. Firstly, constant voltage method is adopted to adjust the operating point of photovoltaic array near to maximum power point to ensure the fast MPPT. And then, improved incremental conductance method is adopted to make the voltage of operating point approximately be equal to the voltage of maximum power point. The simulation results show that the maximum power point of photovoltaic array can be tracked quickly and accurately combined with constant voltage method and improved incremental conductance method, which reduces the energy losses of maximum power point oscillation and improves the energy conversion rate of photovoltaic generation system.

photovoltaic array; maximum power point tracking; constant voltage method; improved incremental conductance method

TM732

A

1003-6954(2015)03-0078-04

2015-01-15)

崔東君(1984)，工學碩士，工程師，從事供電方案制定、工程組織相關工作；

劉彭宇(1979)，工學碩士，順義供電公司營銷部主任，從事營銷管理工作；

楊 進(1971)，工學學士，順義公司營銷部副主任，從事客服專業管理工作。