MPPT中一種新型擾動觀察法的算法研究

徐海濤，高　波，賈浩文，張　利

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院,山東青島266590)

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MPPT中一種新型擾動觀察法的算法研究

徐海濤，高波，賈浩文，張利

(山東科技大學 電氣與自動化工程學院,山東青島266590)

摘要：擾動觀察法在現有眾多的MPPT控制方法中是比較簡單而且有效率的控制方法。在此基礎上提出了一種改進型算法，首先運用變步長弱振蕩方法對最大功率點進行跟蹤，然后在功率和電壓變化基礎上引入了電流變化量。這種方法既可以實現快速穩定跟蹤最大功率點的目的，同時可以避免在光照增強時產生的工作點漂移。在Matlab/Simulink環境下進行建模仿真，使用Boost電路驗證所提出方法的有效性。仿真結果表明，此種改進方法消除了系統振蕩，動態響應效果更好，更重要的是它可以在光照增強時有效準確地跟蹤最大功率點，避免工作點漂移。

關鍵詞：光伏發電；最大功率點跟蹤(MPPT)；Boost；擾動觀察法；漂移；變步長

0引言

在光伏發電系統中影響光伏電池輸出特性的因素諸如光照、溫度等較多，而光伏電池又屬于比較復雜的非線性發電裝置，所以導致光伏電池的輸出時刻都在發生變化[1]。帶有最大功率(MPPT)跟蹤的控制方法可以實時有效地提高系統的發電效率，成為光伏系統研究的熱點。到目前為止，包括擾動觀察法、電導增量法、模糊控制法等[2-4]在內的許多方法已經提出來，并且成功的應用于光伏發電系統中。這些方法都存在一定優缺點，可以根據實際情況進行選用。

文獻[5]提出了變步長弱振蕩算法實現最大功率點跟蹤，可以使其跟蹤更穩定，動態響應效果更好，不過這種方法忽視了光照強度增強時工作點漂移問題。文獻[6]為避免這種漂移問題通過給擾動步長施加限制實現，不過為了光照強度變化迅速時跟蹤最大功率點需要大的擾動步長，從而會增加在穩定狀態下的功率損耗。文獻[7]通過估算整個功率電壓曲線的方法實現，但是這種方法不可能在光照突變情況下估算完整的功率電壓曲線，也就不能完全避免工作點漂移。文獻[8]給出的解決方法是通過施加功率變化的上下限值來實現，因為功率變化的上下限值主要取決于光照強度變化量，所以這不是最理想的解決方法。另外電導增量法雖然可以在光照強度變化時可以準確地跟蹤最大功率點，但是硬件實現復雜，成本較高。文獻[9]方法通過在傳統擾動觀察法基礎上引入電流變化量提出了一個準確簡單避免工作點漂移的方法，但是這種方法在最大功率點附近存在振蕩，穩態輸出波形有一定波動。此外Sepic電路電器元器件較多，而且電容值一般較大，使得電路重量增加，線路損耗增加，所以實際中此電路應用不多。

本文首先基于Boost電路從理論上論述了改進型擾動觀察法的原理，然后通過在Matlab/Simulink平臺上建立了基于Boost電路仿真模型，最后對改進型算法進行仿真。仿真結果表明，這種方法既可以快速穩定地跟蹤最大功率點，又可以在光照增強時避免工作點漂移問題。

1光伏陣列特性

光伏陣列的輸出電流與輸出電壓之間的關系[10]為

(1)

輸出功率與輸出電壓之間關系為

(2)

式中：Ipv為光伏陣列的輸出電流；IL為光伏電池的光生電流(由光照強度決定)；Upv為光伏陣列的輸出電壓；q為電荷常數；K為玻爾茲曼常數；A為光伏電池中半導體電池的PN結系數；T為絕對溫度；IO為電池反向飽和電流；RS為內部串聯等效電阻；Rsh為內部旁路等效電阻。

圖1　不同光照強度時光伏陣列功率與電壓及電流與電壓特性曲線

采用VPV，T(溫度)、G(光照強度)作為光伏陣列的輸入，IPV，PPV為輸出。輸入變量VPV工作在0～40 V之間，溫度保持在25 ℃不變，光照強度分別為1 000 W/m2，800 W/m2，600 W/m2，500 W/m2，得到光伏陣列的IPV-VPV，PPV-VPV特性關系曲線。如圖1所示，光伏陣列短路電流隨光照量增加而增加，開路電壓變化不大。在一定的外界環境下，電池的輸出功率有唯一的最大功率點，并且輸出功率隨光照強度增加而增加。為了使光伏電池輸出最大功率，需要使用最大功率跟蹤(MPPT)控制方法。它可以在特定的環境溫度和光照下自動跟蹤到太陽電池的最大功率點并穩定在此處。

2改進型擾動觀察法

擾動觀察法基本工作原理是：首先通過測量光伏陣列的電流電壓，計算出當前的輸出功率，然后在原來的輸出電壓基礎上增添一個微小的擾動量，對輸出功率進行再次測量并觀察變化情況。如果功率變大，表示擾動方向是向最大功率點靠近，然后保持原來擾動方向進行擾動并觀察；如果發現功率變小，則表示遠離最大功率點，需要改變擾動方向進行擾動。

通過圖2介紹光照強度突變時工作點漂移過程[11]。

圖2　光照變化時工作點漂移過程

如圖2所示，當光照變化時工作點容易發生漂移問題。假設工作點開始時工作于點A，由于擾動觀察法本身的特點它會在附近振蕩，來回工作于B，B’，A 3點，當工作點由B’點朝A點移動時光照開始增加，工作點會到達C點而不是B點，在這種情況下，算法會認為擾動是在增加功率的方向上，因此，它在相同方向繼續提供擾動，進而工作點會偏離最大工作點，并且會沿著A-C-D-E方向繼續移動。綜上所述，工作點會在光照強度持續增加的情況下不斷地偏離最大功率點。

Boost電路開關管發射極接地，驅動電路簡單，它可以始終工作在輸入電流連續的狀態下，只要輸入電感足夠大，則電感上的紋波電流小，可以接近平滑的直流電流，因此，只要加入容量較小的電容甚至不加電容，避免了加電容帶來的體積增大等弊端。

本文首先采用變步長弱振蕩方式實現MPPT:第一級步長適當加大，用以快速接近最大功率點附近區域，減少搜索時間；第二級步長適當減小，用以高精度逼近最大功率點。其次，通過在電壓功率變化量基礎上，引入電流變化量來避免光照強度變化時產生的工作點漂移問題。

下面介紹光照增強時如何避免工作點漂移。

Boost電路輸出電壓與輸入電壓之間關系為

(3)

該斬波電路的效率可以表示為

(4)

式中：Vpv，Ipv分別代表光伏陣列的輸出電壓、輸出電流；Vo，Io為變換器的負載電壓和負載電流。

由公式(4)可得

(5)

公式(1)所示光伏陣列電壓電流關系通過泰勒級數展開式簡化為

(6)

其中，

然后，將公式(5)代入式(6)可得

(7)

通過簡化公式(7)可得：

(8)

將公式(8)代入公式(5)可得：

(9)

在給定光照條件下光生電流可以表示為

(10)

式中：IL,n代表標準條件下(T=25 ℃和G=1 000 W/m2)光生電流；KI代表短路電流溫度系數； ΔT=T-Tn(T和Tn分別代表實際和標準情況下溫度)；G為光伏陣列表面實時溫度；Gn代表標準溫度。

通過把公式(10)代入公式(8)和公式(9)可得電壓電流在考慮光照時的導數，如下面公式(11)和公式(12)所示。

(11)

(12)

因為溫度變化量與光照強度變化量成比例，即dT/dG>0，Isc,n，KI還有ΔT都是正的，分母是正值，dVpv/dG>0和dIpv>0得證。所以由式(11)和式(12)可知，當光照量增加時輸出電壓和輸出電流都會增加。

圖3　改進型擾動觀察法流程圖

由I-V曲線特性可知，當光照強度突然增加或持續增加時電流相應增加；由P-V曲線特性可知，此時電壓和功率也相應增加，所以當光照量增加時功率變化量、電壓變化量、電流變化量皆為正。由I-V曲線特性可知，電壓和電流變化量只有在光照增加時一致，因此，功率增加是由于步長增加還是光照量增加可以通過電流參數判定。綜上所述，光照量增加時通過減少工作電壓從而消除工作點漂移，使得工作點靠近最大功率點。如圖3所示，改進型算法通過判斷功率變化范圍決定采用大步長(Sp1)還是小步長(Sp2)，通過功率和電壓變化量一致為正時檢測電流來避免工作點漂移。

3仿真分析

仿真驗證電路使用Boost升壓電路，設置光伏陣列標準短路電流5 A，開路電壓為21.1 V，最大工作點電壓17.1 V，最大功率點電流4.6 A。圖4中方法一為文獻[5]110提出的方法，方法二為文獻[9]5549提出的方法。方法三為本文提出的改進型方法。

(1)光照強度變化時仿真分析對比

首先設置圖4仿真時間為0.5 s，光照強度在0.2 s時從300 W/m2階躍上升到500 W/m2，然后在0.3 s時從500 W/m2下降到200 W/m2。

圖4　光照強度變化時3種方法輸出功率波形對比

由圖4(a)可知，本文提出的方法由于采用了避免工作點漂移措施，效果與方法一相比可以在光照強度增強時避免工作點漂移，但是光照降低時不適用。由圖4(b)可知，由于采取了變步長弱振蕩措施，可以有效地提高響應速度，并且可以提高穩態時精度，消除穩態時振蕩。

(2)光照強度短時間內持續增強時分析對比

圖5　光照持續增強時輸出功率波形對比

設置仿真時間為0.4 s，光照在0.18 s開始以每0.1 s上升50 W/m2的速度從500 W/m2上升到650 W/m2。由圖5(a)可知，光照持續增強時改進型方法可以有效避免工作點漂移，提高工作點跟蹤精度，減少漂移帶來的功率損失。由圖5(b)可知，改進方法可以提高在光照持續增強時響應速度，消除穩態時振蕩，達到最大功率跟蹤目的。

綜上所述，改進的擾動觀察法在光照強度變化時可以迅速而又穩定地實現最大功率跟蹤功能，同時可以避免工作點漂移問題。

4結論

本文首先對光伏陣列基本模型及其電流-電壓、功率-電壓特性進行了介紹，然后針對光照強度增強時工作點存在的漂移問題展開論述及分析。在變步長弱振蕩擾動法基礎上提出了一種新型的擾動觀察法，這種方法既可以提高響應速度和最大功率點跟蹤精度，又可以在光照變化時避免功率點漂移。最后，在Matlab/Simulink環境下進行建模仿真，仿真結果表明改進型方法是有效可行的。

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Algorithm Research of an Novel MPPT Algorithm Based on P&O Method

XU Haitao, GAO Bo, JIA Haowen, ZHANG Li

(College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

Abstract：Perturbation and Observation (P&O) method is simple and effective among the existing control methods. An improved algorithm is proposed based on P&O method. First, by applying the variable step and weak oscillation method, the maximum power point is tracked and controlled. Secondly the current variable is introduced based on the variation of power and voltage. The aim of fast and stable tracking of the maximum power point can be achieved by this method, and furthermore the drift in enhancing weather conditions can be avoided. The whole system is modeled and simulated in Matlab/Simulink, and the improved P&O method is verified by the Boost circuit. The simulation results show that the improved algorithm is more stable, and eliminates the oscillation. More importantly, it can track the maximum power point effectively and avoid the drift when conditions of insolation enhance.

Keywords：PV; MPPT; Boost; perturb and observation algorithm; drift; variable step size

收稿日期：2016-02-24。

作者簡介：徐海濤(1989-)，男，碩士研究生，主要從事新能源技術方面研究，E-mail:xuhaitaosuccess@163.com。

中圖分類號:TM731

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2016.04.008