太陽能利用中的一種新型MPPT擾動算法

付天昊++王偉

摘要：本文介紹了一種新型的MPPT擾動算法，此算法采用分段擾動的方法來實現更高效的MPPT控制，并給出了實驗方法。實驗的結果表明，所作改進改進達到了目的。

關鍵詞：MPPT控制；新型擾動法；太陽能利用

一、引言

在倡導新能源利用的今天，太陽能作為綠色環保清潔能源的潛在價值被人們越來越多的注意到，太陽能利用率也成為關注的重點。

自適應太陽能電池，是利用太陽能電池板的光伏特性，在閉環控制系統中完成能量由光到電的轉換，并將其儲存在蓄電池中的一種新型的能源利用方式。因此，使閉環系統在最大限度的利用太陽能資源的同時，顧及蓄電池和整個系統模塊的工作效率，是我們需要解決的問題。MPPT技術在這一方面給予我們很好地幫助。

二、太陽能MPPT技術

（一）電路的基本結構。如圖一電路利用太陽能電池板光伏特性把采集到的光能轉化為電能傳入電路，通過電路中由MCU控制的開關控制充放電。RL為負載或者蓄電池。

圖一 太陽能電池工作簡易電路

（二）普通MPPT干擾算法分析。通過實際工作時太陽能電池板的工作電壓U和工作電流I可以得到實際的太陽能電板工作功率P。考慮太陽能電板所處的工作環境，其功率特性會經常受到外界因素的影響，譬如溫度和光照強度，同時在電壓達到一定值后，系統的工作特性會產生變化，導致電流減小，太陽能電板實際的工作功率也會減小。因此太陽能電板的功率P并非與工作電壓U呈線性變化關系，而是一個類似開口向下的二次函數曲線，先增后減。我們將太陽能電池板放在一個確定外界因素的環境中，可以找到太陽能的最大功率點。要使系統保持在最大功率點，提高工作效率，需要引入MPPT技術。

如圖二所示，在確定了外界環境后，一般情況下可以認為太陽能電池板工作在伏安特性曲線的工作點a的位置，工作功率記為Pa。顯然a點并非整個太陽能光電轉換系統的最大功率點位置，我們假設MPP點有整個系統最大的功率，為Pm，那么這時候就會出現兩種狀況：

（1）a點落在最大功率點之外未達到最大功率；

（2）a點與最大功率點重合得到最大功率。

圖二 太陽能工作U-I曲線

基于（1）我們要做的就是使Pa向Pm靠攏，同時基于（2）我們則需要工作狀態保持在Pm點。這個時候我們引入干擾型MPPT算法來實現對Pm的鎖定。普通的擾動型MPPT算法是給系統添加擾動電壓δV，通過電壓的改變調節形同的工作功率，使整個系統逐步向最大功率靠攏。這種方法，在粗略的調節過程中可以實現工作功率向最大功率點靠攏的趨勢，但是，單一不變的δV會導致系統工作功率無法在最大功率點附近，反而會產生一定的振蕩，影響MPPT算法的實際效果。基于此，對擾動型MPPT進行改進，提出一種新型的MPPT擾動算法。

三、新型MPPT算法分析

（一）算法描述。由于光伏特性曲線在最大功率點附近曲線變化率不同，當擾動電壓δV為固定值時，會影響擾動法的實際效果。新型的MPPT算法是通過采集太陽能系統的功率變化率K，確定一個得到K的擬合函數，輔以調節δV，以達到最佳的擾動效果。為了使算法得到最大程度的優化，而且一個固定的δV在系統工作功率遠離最大功率點時，同樣可以發揮效果。所以我們對整個擾動過程進行分段處理。本文設定一個工作功率和最大功率點之間差距|δP|的閾值￡來調節擾動所用的擬合函數。

通過對δV的調節，以一種非線性的關系逼近最大功率點，可以大大提高算法的實際效果。同時單片機組成的MPPT控制器會不斷地將|δP|與￡進行比較，實時調節擾動設置。

（二）K值獲取。通過對K值的研究，可以發現本次實驗所用太陽能電池板在|δP|在0～2w范圍內的時候，需要進行K值干擾（即￡=2w）。我們通過實際的采樣得到了間隔為0.2w的采樣點，如表一所示：

為了使|δP|-K的關系更清晰的表達，采用MATLAB軟件對數據進行擬合，得到如下圖所示圖像：

同時我們得到了圖五擬合曲線的一般函數表達式：

當X>￡時：擾動電壓為δV；

當X>￡時：擾動電壓為KδV。

通過觀察這一曲線，可以得出固定的擾動無法達到精確實現MPPT功能的結論。K值擾動有其存在的合理與優越性，在實際中，可以通過誤差允許范圍內的函數關系式確定K值。

四、實驗比較論證

（一）實驗電路設計。實驗使用直流電源輔以滑動電阻模擬太陽能電池，BUCK電路作為被控器件，可變電阻做負載，實驗電路如圖六所示。MPPT控制器控制DC/DC轉換器的調節端。通過負載和電源內阻以及系統電壓的調節來模擬測試 MPPT 的跟蹤效果。

表二為兩種MPPT方法的實驗比較數據。

初態下：Va（即Vs）= 60V，W1=72Ω，W2=36Ω。通過DC/DC轉換器與W2等效為一個電阻R，用以調節系統阻抗。當R=W1時，系統有最大功率，Vb=1/2Va。

由于單片MPPT控制器不斷采集工作功率的參數與最大功率點進行比較，所以得到的Vb總是在一個較小的電壓區域中反復變化。

將實驗的結果反映在圖七折線圖中更加清晰地得到兩種MPPT算法在實驗中的表現，將負載電壓Vb的上限和下限按照表二次序記錄在圖中，越靠近為30V的基準線，表示性能越優越，結果越準確：

五、結語

由表二和圖七可知，改進型的MPPT擾動算法下所達到的最大功率點跟蹤的效果更好。在折線圖中新型MPPT擾動算法控制的系統明顯更為平滑且更接近最佳狀態（Vb=30V），由此可見新型MPPT擾動算法是一個成功的改良。這一改良能夠使太陽能在能量轉換時表現更高的效率，有效地提高了資源利用率，有著廣泛且深刻的應用前景。

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【資助項目】浙江省大學生科研創新團隊資助項目 2015R409026