基于擾動觀測法的改進MPPT算法研究

徐春雷，李晶晶，潘　梅

（1．國網阿克蘇供電有限責任公司檢修繼保班，新疆阿克蘇843000；2．國網青海省電力公司電力科學研究院電能計量檢定中心，青海西寧810000）

基于擾動觀測法的改進MPPT算法研究

徐春雷1，李晶晶2，潘梅1

（1．國網阿克蘇供電有限責任公司檢修繼保班，新疆阿克蘇843000；2．國網青海省電力公司電力科學研究院電能計量檢定中心，青海西寧810000）

摘要：根據目前阿克蘇地區光伏發電場的運行情況，發現光伏發電技術還存在著光－電轉換率低、輸出功率不穩定等問題，很大程度上影響著該地區光伏發電場的經濟運行。因此，為了促進光伏發電的進一步發展、穩定輸出功率、提高光伏發電技術的光電轉換率，在分析光伏發電的模型和研究光伏發電最大功率點跟蹤（MPPT）技術的基礎上，提出改進的擾動觀測法（SVM改進擾動法），并利用Simulink仿真軟件進行仿真分析，通過仿真結果證明改進的擾動觀測法消除了震蕩，有效地減少了擾動次數和跟蹤時間、提高了最大功率點的跟蹤精度和速度。

關鍵詞：光伏發電；MPPT；SVM改進擾動法；Simulink仿真

1　引言

隨著光伏發電技術的日趨成熟，光伏發電就成為了新能源研究中的重點研究對象，諸如照明設施、家用電器、發電廠、屋頂等越來越多的場合在使用清潔能源—太陽能。光伏發電系統的正常運轉離不開其控制技術，其中應用最多的是MPPT技術，也就是最大功率點跟蹤，通過跟蹤系統的電壓、占空比等尋找出最大功率點，讓系統工作在最大功率點處，得到更大的功率輸出。近幾年來，最大功率點跟蹤技術在恒定電壓法、電導增量法、神經網絡控制法、擾動觀察法等幾個方向得到了快速的發展應用，但是通過對光伏發電系統的實際分析調查發現這幾種控制方法雖然都有各自的優點，但都不可避免地存在著不足，例如恒定電壓法易受到溫度的影響，當溫度較高時輸出功率會嚴重偏離最大功率點，使得輸出功率達不到最大值；神經網絡控制算法和恒定電壓法相比，神經網絡控制算法不受溫度的影響，但是其算法過于復雜；擾動觀察法是近年來比較流行的一種控制算法，不足之處是這種算法難以確定步長，并且在最大功率點出會發生震蕩；電導增量法的控制比較復雜，對采樣值的精度要求很高。為了規避上述幾種控制算法中存在的不足，更好地控制太陽能發電技術，本課題旨在找出一種能更快捷跟蹤最大功率點的控制方法，通過結合擾動觀測法和支持向量機技術，提出一種改進的MPPT算法－基于SVM改進擾動法的MPPT算法，通過改變擾動觀測值的步長大小，該算法可以迅速地實現最大功率點跟蹤控制。文中通過搭建Simulink仿真模型進行仿真驗證，仿真結果證明該改進算法是可行的。

2　光伏電池的模型

2．1光伏電池的等效電路

如圖1所示為光伏電池的等效電路圖，光伏電池實際上就是一個能量轉換裝置，它把感應到的太陽光能通過一系列轉化變成電能，它的等效電路可以用一個電流源和一個二極管并聯組成，其中光生電流相當于光伏電池的電流源Ig；流過二極管的電流為暗電流，用Id表示；Rsh表示旁路電阻；流過Rsh的電流用Ish表示；I0表示光伏電池的輸出電流；U0為光伏電池輸出電壓；Rs為串聯電阻；R0為電池的負載電阻。

圖1　光伏電池的等效電路

通過分析可以得出在光伏發電系統中用最大功率跟蹤法控制系統時Uop（最佳動作電壓）和Iop（最佳動作電流）之間的關系可以用式（1）來表示：

圖2　光伏電池電壓電流輸出特性

如圖2所示為最佳動作電壓和最佳動作電流之間的關系圖。通過光伏電池電壓電流輸出特性曲線圖可以看出，當光伏電池的工作電壓小于最佳動作電壓時，光伏系統的輸出功率會隨著工作電壓的增大而增加，當其工作電壓達到最佳動作電壓時，輸出功率達到最大值，之后工作電壓再增大，系統的輸出功率就開始下降，可以看出在光伏發電系統中，系統的輸出功率和電壓不是線性關系的。顯然，光伏系統的輸出功率和它的輸出電流以及輸出電壓有關系，因此通過調節其輸出電流、電壓就可以達到調節功率輸出的目的，從而實現最大功率輸出，而溫度與光照條件又影響了輸出電流、電壓值的大小，所以可以通過觀察在不同的溫度與光照條件下輸出最大功率，實現最大功率跟蹤。新疆阿克蘇地區雖然日光照小時數很充足，有利于光伏發電系統的建立，但是其光照強度和溫度是在不斷變化的，無法準確地控制光伏電池的輸出電壓和輸出電流的最佳匹配。為了解決這個問題，通過采用Boost升壓電路來實現對光伏電池電壓、電流輸入特性的控制。在Boost升壓電路中用光伏電池當做其電源供電，那么根據Boost升壓電路的特性可以知道輸出電壓和輸出電流與輸入電壓（光伏電池的輸出電壓）和輸入電流（光伏電池的輸出電流）有式（2）所示的關系：

其中，D為Boost升壓斬波電路開關管觸發信號的占空比。根據上面的等式可以看出通過改變占空比D的大小就可以實現光伏電池輸出電壓的改變，從而實現其最大功率跟蹤。

3　太陽能電池的技術參數和特性曲線［2］

光伏電池的技術參數：功率50W；電池短路電流3．35A；電池開路電壓21．6V；最佳動作電壓17．6V；最佳動作電流2．85A；溫度25℃。

在對光伏電池分析的基礎上，本章節以Matlab／Simulink仿真軟件為平臺搭建起光伏電池的仿真模型和光伏電池的P－V特性曲線仿真模型。采用ode23tb剛性算法為仿真算法對仿真模型進行仿真計算，測得出如圖3所示的光照特性曲線、圖4所示的溫度特性曲線和圖5所示的功率特性曲線圖。其中測量光照特性曲線時，溫度為25℃；測量溫度特性曲線時，光照強度為1000W／m2。

圖3　光照特性曲線

圖4　溫度特性曲線

圖5　太陽能電池P－V特性曲線圖

4　光伏發電MPPT的Simulink仿真

4．1光伏發電系統擾動觀測法仿真結果

如圖6所示為搭建的光伏發電的MPPT算法［3］的Simulink仿真模型，在該模型中供電電源為光伏電池，Boost升壓電路為主電路，L＝12mH，C1＝470μF，C2＝1000μF，RL＝10Ω，開關頻率1000Hz，環境溫度設為25℃，采用ode23tb剛性算法進行仿真。

圖6　光伏發電最大功率點跟蹤Matlab仿真模型

如圖6所示，將仿真模型中的開關S1調至右邊進行MPPT跟蹤仿真。結合Matlab中的Embeded Function模塊進行擾動觀察法程序的編寫，設定5個計數周期采樣一次，仿真時設定光照強度隨著時間的變化而變化，仿真結果如下圖7、圖8所示。

圖7　占空比變化曲線

圖8　功率變化曲線

從圖6、7的仿真圖形可以看出采用擾動觀測法可以實現對功率點的最大跟蹤，但是在最大功率點處占空比和功率都頻繁出現了震蕩，這種震蕩是由擾動觀測算法本身所造成的，是無可避免的，本文對該種算法進行一些改進來去除這種震蕩現象，更好地控制光伏發電系統，實現最大功率跟蹤。

4．2基于擾動觀測法的改進MPPT算法［4］的仿真實現

4．2．1基于擾動觀測法的改進MPPT算法

如下所示，改進的MPPT控制算法－基于SVM的改進擾動法可以去除傳統的擾動觀測法在最大功率點附近占空比與功率出現振蕩的現象，能使得系統輸出最大功率。

確定輸入、輸出量（也就是確定訓練樣本），假設已經訓練樣本為：

其中：xi∈X＝Rn、yi∈Y＝R，i＝1，2，……l。

利用式（3）對訓練樣本數據進行歸一化處理。

選擇式（4）所示的徑向基核函數和決策函數，確定懲罰因子C和核參數σ的值：

對經過式（3）處理的中數據進行回歸計算，計算出在光照條件變化時，光伏電池的最佳動作電壓值，并繪制出最佳電壓的回歸預測表。

不同的光照條件對應著不同的最佳動作電壓，跟蹤這個最佳動作點，并通過擾動觀測法確定這個電壓值是不是達到了最大功率點，如果該值和“擾動法”得到的尋優值有大于5%的無誤差，那么就用與當前光照強度最接近的最佳動作電壓值直接跟蹤，并利用“擾動法”來進行確定最佳動作電壓，并將新數據加入訓練數據重新進行預測。

4．2．2基于擾動觀測法的改進MPPT控制算法的仿真

訓練數據是在光學大氣質量為AM1．5、氣溫為25℃、光照強度變化的條件下的得到的10個測量數據，如表1所示。

表1　測量數據

根據前面分析的改進算法建立SVM預測模型利用LIBSVM進行回歸預測得到如表2所示的SVW回歸預測分析表，通過查表確定占空比的初值和10組訓練數據根據SVM預測的動作電壓值計算出的對應的占空比，得到如表3所示的光照強度預測表。

表2　 SVW回歸預測分析結果

表3　 SVW預測后最佳動作電壓對應占空比值

如圖9所示為原始數據與預測數據的對比圖，其中一條曲線代表原始數據，另一條曲線代表回歸預測數據曲線，預測數據均方差MSE＝3．893e－4；當建立好光照強度預測表后，利用改進的算法進行仿真計算，得到如圖10所示的最大功率跟蹤曲線圖。

圖9　 SVM預測最佳動作電壓曲線

圖10　 SVM算法下最大功率跟蹤曲線圖

對比圖10和圖8可以看出基于擾動觀測法的改進MPPT算法不僅基本上消除了傳統擾動觀測法中存在的震蕩現象，還大大的縮短了跟蹤最大功率點的時間，很大程度上減少了擾動次數和跟蹤時間，有效地提高最大功率點的跟蹤速度和精度，實現了光伏發電的最大功率輸出，通過仿真得出的曲線圖證明了基于擾動觀測法的改進MPPT控制算法的正確性。

5　結束語

分析了光伏電池的等效電路和其對應的最佳動作電壓和最佳動作電流之間的關系、光照特性曲線、溫度特性曲線、P－V特性曲線等，建出光伏發電最大功率點跟蹤Matlab仿真模型，通過Matlab／Simulink軟件進行傳統擾動觀測法控制條件、基于擾動觀測法的改進MPPT算法條件下占空比和功率曲線的仿真，通過對比兩種算法控制條件下，最大功率跟蹤點的曲線圖可以看出改進后的算法能根據功率變化關系自動決定占空比變化的幅度，可以更快更準確地實現最大功率點的跟蹤，并消除在最大功率點處的震蕩現象。

參考文獻：

［1］趙爭鳴，劉建政．太陽能光伏發電及其應用［M］．北京：科學出版社，2012．

［2］馮冬青，李曉飛．基于光伏電池輸出特性的MPPT算法的研究［J］．計算機工程與設計，2009．

［3］馬秀娟，吳佳宇．光伏電池最大功率跟蹤算法的研究［J］．電源世界，2009．

［4］曹倩茹．光伏大點的最大功率跟蹤研究［D］．西安：西安科技大學，2006．

中圖分類號：TM615＋．1

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0007—05

作者簡介：

徐春雷（1987－），女，漢族，碩士研究生，國網阿克蘇供電有限責任公司員工。

收稿日期：2014－10－20

Improved MPPT algorithm research based on perturbation observation method

XU Chun－lei1，LI Jing－jing2，PAN Mei1
（1．Aksu Power Supply Ltd．，State Grid，Aksu843000，China；2．Qinghai Electric Power Test＆
Research Institute，Qinghai Electric Power Corporation，Qinghai 810000，China）

Abstract：According to the current running situation of photovoltaic farms in Aksu，it is found that the technology of photovoltaic power generation still exists the problems such as low optical－electric conversion rate and unstable output power，thus largely affects the economic operation of the photovoltaic farms in the region．Therefore，in order to promote the further development of photovoltaic power generation，stable output power，and improve optical－electric conversion rate of photovoltaic power generation technology，the improved perturbation observation method（SVM improved perturbation method）is proposed by analyzing the photovoltaic power generation model and researching of the photovoltaic maximum power point tracking（MPPT）technique．The simulation analysis is made by using Simulink software．The simulation results prove that the improved perturbation observation method can eliminate oscillation，effectively reduce the perturbation frequency and tracking time，and improve the tracking precision and speed of the maximum power point．

Key words：photovoltaic power generation；MPPT；SVM improved perturbation method；Simulink simulation