基于改進PSA算法的光伏系統最大功率點跟蹤技術研究

陳仕彬++韓自奮++梁福波++拜潤卿++李養俊++魏喬++章云

摘 要：為了在不同環境條件下使光伏系統產生最大的能量，需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤，使系統的輸出功率最大化。對此，結合經典的恒壓控制法提出了基于改進PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法。MPPT算法的主要組成部分包括系統的功率級和控制器，功率級的輸入電壓和輸入電流被用作MPPT算法的輸入，基于PSA算法的控制器則用來連續調節占空比，直到系統處于最大功率點。實例分析驗證表明，該方法可以更加穩定、精確地跟蹤到最大功率點。

關鍵詞：光伏系統；最大功率點跟蹤；占空比；改進模式搜索算法

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

由于太陽能具有取之不盡、分布廣泛的特性，所以光伏發電技術在新能源領域脫穎而出，為了能夠實現光伏系統輸出功率的最大化，需要對光伏陣列的最大功率點進行跟蹤。目前有很多算法可以確定系統的最大功率點[1-3]，如查表法、曲線擬合技術、開路電壓法、短路電流法、擾動觀測法、電導增量法等。查表法和曲線擬合技術需要很大的數據存儲空間；開路電壓法和短路電流法不適合工作條件發生變化的場合；擾動觀測法會在最大功率點附近產生振蕩；電導增量法實現過程比較復雜。然而盡管恒壓法能夠實現MPPT的基本功能并在光伏發電現場得以廣泛應用，但在使用過程中無法引入外界條件參量的變化情況，難以實現MPPT的高精度搜索功能。模式搜索算法[4，5]具有很強的細搜索能力，因此將改進的模式搜索算法與恒壓法結合用于最大功率實時精確跟蹤。

光伏發電系統主要包括光伏陣列、MPPT功率級、控制器、負載幾部分[6]，而最大功率點跟蹤主要由MPPT功率級和控制器來控制，對此本文首先建立功率級輸入端的模型[7， 8]，然后應用改進的PSA算法優化控制器使其精確改變占空比，實現最大功率點的穩定跟蹤。

1 光伏組件模型及最大功率點控制

光伏組件功率級輸入端即光伏組件的輸出主要是產生的電流信號和電壓信號，設在參考條件下，構建考慮太陽輻射變化和溫度影響時的光伏發電系統中光伏電池陣列數學模型如下式：

（1）

式中，U為光伏電池陣列電壓，I為對應的輸出電流，，，

，，

，；Sref為太陽輻射參考值，取1 kW/m2；Tref為溫度參考值，取25℃；Isc為短路電流，Uoc為開路電壓，Im、Um分別為最大功率點電流和電壓，為電流隨溫度變化系數，為電壓隨溫度變化系數，以上參數都在Sref、Tref條件下獲取；Rs為光伏模塊串聯電阻；S為總太陽輻射，Tc為太陽電池溫度，Ta為環境溫度，tc為電池模塊溫度系數。

當負載電阻和內阻相等時會產生最大的輸出功率。由于光伏陣列產生的功率會隨太陽輻照度和溫度變化而變化，因此參數的變化也會引起光伏電池的輸出特性變化，可根據輸出特性實時調整負載，使其與光伏陣列內阻相匹配，實現最大功率點跟蹤。

2 仿真實驗與分析

2.1 光伏電池功率曲線特性

實驗采用的太陽能電池板在光輻射度為1 000 W/m2，溫度為25℃的標準測試條件下的基本參數為：Im=5.5 A、Um=36.3 V、Uoc=43.5 V、Isc=5.85 A。基于Matlab/SimuLink工具箱構建的光伏電池仿真模型如圖1所示。

由圖2（a）可知，最大功率點處電壓受光輻射度影響較小，電流值隨著光輻射度的增加而增大；由圖2（b）可知，最大功率點處電壓隨著溫度的升高而降低，電流值受溫度影響較小。

2.2 MPPT功率級和控制器

MPPT算法的主要組成部分包括系統的功率級和控制器，功率級為DC-DC變換器的主電路[9， 10]，通過調整IGBT的導通時間和輔助電路完成升降壓功能；控制器主要用于產生控制IGBT通斷的PWM控制信號，與功率級共同作用，調整負載與光伏陣列內部阻值動態匹配，實現最大功率點跟蹤。MPPT控制算法實現過程如圖3所示。

圖3中，改進的PSA算法和恒定電壓法均包含于控制器部分[11]，改進的PSA算法根據外界環境變化實時計算出最大功率點處電壓Umax作為恒定電壓法的參考電壓，從而改善了經典恒壓法使用固定電壓值導致其忽略外部環境不足的問題，可大大提高最大功率點跟蹤的精確性。

2.3 改進的PSA算法

為實現當外界環境變化時，光伏發電系統能夠對最大功率點進行精確跟蹤，避免傳統跟蹤方法的缺點，提高光伏發電系統的輸出效率，本文提出了基于改進的PSA算法的最大功率點跟蹤方法。其流程圖如圖4所示。其中，搜索分段數=10，電壓間隔=Uoc/，初始步長=/4，初始電壓值U（1）=[， 3， …， Uoc-]T，初始點xi=Ui（1），方向因子=[1，-1]，速度因子c1=2，終止條件=10-3，c2=2，k=1，全局比較因子=/100。

2.4 優化控制輸出

將改進的模式搜索算法實時計算得出的最大功率點處的電壓替換恒壓控制法實現最大功率點跟蹤時的固定電壓值，并構建其整體的仿真模型。其具體架構如圖5所示。

圖5 基于改進PSA的MPPT仿真模型

按照實際原型參數進行設定，為驗證跟蹤的效果，當系統從溫度25℃、光輻射度從1 000 W/m2變化為800 W/m2時，其仿真結果如圖6所示。

根據圖6可知，該系統在光輻射度變化的條件下能夠快速做出調節，使其工作在最大功率點附近，且穩定性較好，改善了傳統恒壓方法無法對系統進行及時調整，使其工作至最大功率點的現象。

3 結 語

為了實現光伏發電系統最大功率點的準確跟蹤，本文結合經典的恒壓控制法提出了基于改進PSA算法的光伏最大功率點跟蹤方法，對光伏系統最大功率點跟蹤中功率級輸入端特性曲線和MPPT控制算法進行了深入分析，通過比較可知：

（1）最大功率點處電壓、電流值可隨光輻射度和溫度的變化而變化；

（2）可以通過外界環境變化實時計算出參考電壓，改善經典恒壓法，進而提高最大功率點跟蹤的精確性；

（3）該系統在光輻射度變化的條件下能夠快速調節，始終工作在最大功率點附近，穩定性較好。

參考文獻

[1]趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等.太陽能光伏發電及其應用[M].北京：北京科學出版社，2005.

[2]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.

[3]Al-Sumait JS， Al-Othman AK， Sykulski JK. Application of pattern search method to power system valve-point economic load dispatch[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2007， 29（10）： 720-730.

[4]Salas V， Olias E， Barrado A， et al. Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar energy materials and solar cells， 2006， 90（11）： 1555-1578.

[5]黎靜華，韋化.基于模式搜索算法的電力系統機組組合問題[J].電工技術學報，2009，24（6）：121-128.

[6]吳理博，趙爭鳴，劉建政.用于太陽能照明系統的智能控制器[J].清華大學學報（自然科學版），2003，43（9）：1195-1198.

[7]Fermia N， Granozio D， Petrone G， et al. Predictive & adaptive MPPT perturb and observe method[J]. Aerospace and Electronic Systems， IEEE Transactions on， 2007， 43（3）： 934-950.

[8]衛東，樓洪，肖昌允.太陽能光伏輸出特性最大功率點計算與模型參數求解[J].中國電機工程學報，2013，33（10）：121-127.

[9]Vaz AIF， Vicente LN. A particle swarm pattern search method for bound constrained global optimization[J]. Journal of Global Optimization， 2007， 39（2）： 197-219.

[10]瑞奇奧等.光伏發電系統的優化-建模、仿真和控制[M].北京：機械工業出版社，2014.

[11]王亞蘭，陳淵睿.光伏電池通用模型及自適應MPPT控制方法[J].電源技術，2015，39（1）：75-77.