光伏電池滯環變步長MP P T算法研究

胡 浩 ，王洪誠 ，胡 雄 ，趙全全 ，宗子軒

（1.西南石油大學 電氣工程系，四川 成都 610500；2.武漢泰極江森汽車座椅有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

太陽能由于儲量大、清潔、可再生且不受地域限制，應用越來越廣泛，但太陽能受季節和時間的影響，導致光伏發電輸出功率不能穩定地使用。為了有效地提高太陽能發電效率，提高供電質量，光伏系統往往采用最大功率點跟蹤（MPPT）技術對光伏電池的輸出功率進行實時跟蹤，最大限度地利用太陽能。目前常用的最大功率點跟蹤方法主要有恒定電壓法、電導增量法、擾動觀察法[1]等。

恒定電壓法[2]實際上是對MPPT方法的近似，算法的適應性差，跟蹤精度不高。電導增量法對系統的硬件要求較高，需要精確測量電流電壓值。擾動觀察法是根據相鄰兩個采樣周期的功率變化來決定下一時刻的擾動方向。本文提出了將恒定電壓法和擾動觀察法結合起來的方法，在綜合了各自的優勢后，在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建了系統的仿真模型，并對算法進行了驗證。仿真結果表明，該MPPT算法能明顯改善系統的性能。

1 光伏電池模型分析

光照下光伏電池的實際等效電路如圖1所示，圖中考慮了光伏電池本身電阻對其特性的影響。

圖1 光伏電池等效電路圖

圖1中，Rs為硅片的固有電阻，Rsh為 PN結的分路電阻，一般Rs<

由式 （1）、（2）、（3）可得：IR為光伏電池的輸出電流；UR為光伏電池輸出電壓；q 為電荷常數，q=1.9×10-19；K為玻爾茲曼常數，K=1.38×10-23；T為光伏電池的溫度；Rsh為光伏電池的并聯等效電阻[3]。

由以上分析可知，溫度一定時，光照主要影響光伏電池的輸出電流，光照強度一定時，溫度主要影響光伏電池的輸出電壓[1]。一定溫度和一定光照強度下的P-U及I-U曲線，如圖2所示。

圖2 光伏電池的I-U和P-U特性圖

從圖2中可以看出，光伏電池最大功率點和電流不是一致的。由此可見，要想得到最大功率輸出，必須對其輸出功率進行控制。

2 滯環控制變步長MPPT算法

2.1 滯環比較法

滯環比較法的原理是當功率在設置的滯環內時，光伏電池的工作點電壓保持不變，只有當功率的波動量超出設置的滯環時，才按照一定的規律改變工作點，針對光伏電池的P-U特性，其滯環控制環節如圖3所示[4]。

圖3 滯環控制的示意圖

如果以A為工作點，在其兩邊相同距離取擾動點B和C，并且 A、B、C 三點的功率分別記為 PA、PB、PC。 由于擾動觀察法比較的是相鄰兩個采樣點之間功率的大小，即PA和PB或者PA和PC，分別進行獨立的比較。現在取PA>PC記為+，否則為-；PB≥PA記為正（+），否則為負（-）。 由分析可知，有效的比較結構有3種，如圖4所示。

圖4 滯環比較法示意圖

由圖 4可知，如果 PA>PC∩PB≥PA，則電壓擾動保持原來的方向；如果 PAPC∩PB

2.2 擾動步長的確定

常用的步長確定方法有梯度法、牛頓迭代法等，但這些算法往往會造成迭代步長過大使系統發生較大振蕩，影響了系統的穩定性。本文所采用的控制方法是通過對光伏電池輸出電流電壓采樣，然后再判斷前后采樣周期功率的變化方向的方法[6]，即在MPP點附近采用的變步長的方法，原理[6]如下：

式（4）[6]中，P（k）和 P（k-1）分別表示 k 和 k-1 時刻的采樣功率。在采用恒壓控制時，系統將參考電壓值直接拉至MPP附近，采用逐步逼近的方式搜索最大功率，此時系統需要微小的擾動量，即要求ΔU很小。當比較采樣點功率時，由于 P（k）和 P（k-1）比較接近，ΔU 較小，這就避免了因為過大的擾動步長而在MPP點附近發生振蕩的情況[6]，提高了系統的穩定性。

2.3 基于恒壓和變步長滯環控制結合的MPPT控制法

恒壓法是基于在最大功率點處的電壓值幾乎為一個固定值原理。通常可以根據實際系統設定的一個固定電壓值，使得系統始終保持運行在該設定電壓下從而近似地獲得最大輸出功率。當外界環境較為穩定時，可以近似地認為光伏電池工作在最大功率點處。

擾動觀察法是通過控制電路開關信號的占空比來改變電路的輸出功率，進而根據輸出功率的變化控制達到最大功率。擾動觀察法是目前最為成熟的方法，它需要的硬件電路少，節省成本，但其跟蹤的速度慢，特別在光照變化較快的情況下很容易出現誤判，造成能量的損失。基于恒壓法與變步長的滯環控制法相結合的MPPT控制法，先采用恒壓法進行控制，使光伏系統工作在最大功率點附近，再通過較小步長的擾動使光伏組件的工作點向最大功率點移動，最后穩定在最大功率點，其控制流程[4]如圖5所示。

3 仿真結果對比分析

本文的最大功率點跟蹤 （MPPT）采用基于Boost電路作為光伏電池的負載，通過調節占空比控制電路的關斷，從而實現MPPT。系統整體的仿真模型如圖6所示，仿真結果波形如圖7～圖10所示。

圖5 恒壓變步長滯環控制結合的MPPT控制流程圖

圖6 系統整體仿真模型圖

（其中定步長的步長值為0.001）

圖7 定步長功率跟蹤仿真波形圖

圖8 滯環變步長功率跟蹤仿真波形圖

圖9 滯環變步長的Boost電路跟蹤前后電流對比仿真波形圖

圖10 帶滯環變步長的Boost電路跟蹤前后功率對比仿真波形圖

當溫度一定時，當t=0.3 s時，光照強度從500 mW/cm2變化到800 mW/cm2。從仿真圖可知，定步長產生了較大的振蕩，造成了較大的能量損失。圖8和圖9分別給出了光照劇烈變化 （0時刻，500 mW/cm2；0.025 s時刻，1 000 mW/cm2；0.05 s 時 刻 ，800 mW/cm2；0.075 s 時 刻 ，1 000 mW/cm2）時，Boost電路中，由于電感的作用使得負載電流更加平滑，沒有出現電流激增的情況，從而可以保證負載的穩定運行；由于采用了變步長的MPPT控制策略，光伏電池輸出功率特性得到了很大的改善，尤其是在光照突變的時刻，輸出功率平穩上升或者下降，并且很快達到了穩態，系統的快速性得到了提高。仿真實驗從理論上證明了該算法的正確性。

本系統采用恒定電壓法與滯環比較控制相結合的方法。經過多次的試探，當系統的定電壓Um=0.8Uoc時，系統的響應速度很快，能很好地適應光照突變的情形。從仿真結果看，本系統MPPT對各種光強都有很高的轉化效率，均能很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，使其最大限度地利用太陽能。

4 結論

本文在傳統的MPPT控制方法基礎上，提出了基于恒壓和變步長滯環控制相結合的MPPT控制法，分別通過MATLAB/Simulink平臺仿真分析，與相同條件下的定步長控制方法進行比較。仿真結果表明，該算法對光照迅速變化的情況具有很強的適應性，并且可以很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，抑制了定步長在MPP點附近的振蕩現象。本文的研究結果對于開發性能更為優異的MPPT算法具有一定的指導意義，但本文是基于恒定溫度條件進行分析的，對于溫度變化的情況，是下一步研究的方向。

[1]黃舒予，牟龍華，石林.自適應變步長 MPPT算法[J].電力系統及其自動化學報，2011，23（5）：26-30.

[2]熊遠生，俞立等，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的應用 [J].電力自動化設備，2009，29（6）：85-88.

[3]楊貴恒，強生澤，張穎超，等.太陽能光伏發電系統及其應用[M].北京：化學工業出版社，2011.

[4]盧可可，張寅孩.基于恒壓法和變步長滯環比較法結合的 MPPT算法研究 [J].工業控制計算機，2013，26（5）：114-115.

[5]劉琳，陶順，鄭建輝，等.基于最優梯度的滯環比較光伏最 大 功 率 點 跟 蹤 算 法 [J].電 網 技 術 ，2012，36（8）：56-60.

[6]胡義華，陳昊，徐瑞東，等.一種兩階段變步長最大功率點控制策略[J].電工技術學報，2010，25（8）：161-166.