自適應算法在光伏發電系統最大功率追蹤中的應用

邊金田

（鄂爾多斯職業技術學校 內蒙古 鄂爾多斯 017000）

1 引言

太陽能發電具有成本低、無污染、無噪音等優點，作為當前公認的最具發展前途、技術含量最高的清潔型能源，現已在水泵、蓄電池充電系統、家用電器乃至衛星能源等領域進行了廣泛的使用，并取得了良好的成效。然而，氣候條件是太陽能發電的限制性因素之一，因此，為確保能夠達到持續性的供電需求，一般應配備儲能裝備，但儲能設備的安裝費用較高且發電效率低[1]。

太陽能發電效率的提高是有效降低較高系統費用的主要途徑，當前，國內外相關領域在解決太陽能發電效率的問題上給出了諸多方法。其中，擾動與觀察法具檢查參數少、算法結構簡單等優點，現已得到普遍應用，而該方法還存在一定的缺陷，當其處于最大功率點時，擾動系數也較大。HD Maheshappa指出，將參考電壓與電流設置為常數，并將參考值作為對照，與太陽能的陣列采樣電流與電壓對比，進行占空比的調整。雖說該方法的實現較為簡單，但由于忽視了輻射與溫度的影響，其精確度不高。C Hua指出，對光伏系統來說，其安裝費用較高，若使用DSP控制電路對該系統來說不具有實際意義[2]。

本文就太陽能陣列的特點，利用自適應原理進行了太陽能列陣最大功率的追蹤，并將其與固定步長算法進行對比，結果顯示，自適應算法的追蹤速度與精度明顯較高。

2 自適應算法

理論上講，能夠按照數據處理的特征自動調整其處理過程中的順序、方法、參數、約束條件或是邊界條件等，保證其統計的分布與數據的結構相適應，進而得到最優處理結果的一種數據處理方式稱為自適應算法。自適應算法目前主要是用兩種方法完成，即程序控制、處理電路來實現，前者把算法的數學模型編譯成程序后使用計算機完成，后者按照算法的數學模型將電路設計出來。可以說，算法是多種多樣的，而我們在選擇時應慎重，這關系到系統的可行性與性能質量。

3 太陽能特性

太陽能電池陣列的曲線表達[3]：

計算負載24h消耗容量P：

其中：I—負載24小時消耗的電力（WH，瓦&dot；時）

V—負載額定電源

光照與溫度固定不變時，觀察太陽能電池的最大功率運行點（Pm）。當使用變換器和負載連接的太陽能電池時，其工作點則由負載決定。當負載無法調節時，將太陽能特性與負載特性相結合，使太陽能電池運行于A點；反之，負載可調節時，A點輸出功率較Pm處小。此時可通過輸出電壓的調控來改變負載電壓及負載功率，當調太陽能電池的輸出功率等同于太陽能電池的最大功率時，輸出功率為最大。綜上，光強與溫度是決定太陽能特性的兩個決定性因素，且會隨著光強與溫度的變化而變化。輸出電流、輸出電壓分別受光強與溫度的影響。

4 實驗原理

太陽能電池陣列的輸出功率表達式：P=VI

由圖可知，當P/V＞0時，本系統運行未到達最大功率；P/V=0表示該系統運行到達最大功率；P/V＜0表示該系統運行同樣未達到最大功率。

依照上述條件我們可以認為，取兩個相鄰的時間間隔點上太陽能電池陣列的采樣電流及采樣電壓，兩點確定一條直線，算出斜率，通過改變開關管占空比改變P/V的數值，使其達到0，從而保證系統運行處于最大功率點上。根據電池平板組合系列表格，確定標準規格的串聯塊數和并聯組數。再考慮到平均每天日照時數及陰雨天等因素的波動，另外，交流系統或并網系統還要考慮逆變器轉換效率、其他功率損耗等。太陽能電池、負載以及環境的特性是緊密相關的，不同條件下的輸出特性與負載曲線都有著非線性的波動。

5 自適應算法的原理與實驗過程

5.1 自適應算法的原理

自適應控制流程圖

自適應算法的使用應先設置精度電壓，用來判斷系統運行是否處于太陽能電池的最大功率點處。采樣選在第i+1時刻的電流與電壓，隨后依據公式P=VI，求出Pi+1的值。得出結果后，計算在第i時刻及第i+1時刻的P-V曲線斜率。當P/V＞0時，需增大D值，逐漸增加系統輸出功率使其達到最大功率輸出，也就是說在第i+1時刻，Di+1=Di+（K1+K2）；相反，當P/V＜0時，減小D值，使其達到最大功率輸出，第i+1時刻，Di+1=Di-（K1-K2）。

本文所采用的方法中，添加了一個可隨時進行調節的K2，這樣就使開關管的D調節隨著采樣電流與采樣電壓的變化而變化。采樣步長的變化與（K1-K2）為正相關，所以，對D進行調節也就是在對下一刻的采樣電流及采樣電壓進行調節，從而實現了太陽能電池輸出功率的調節。

自適應因子K2（i）作為調節下一個時刻的D，K2值越小，所選的采樣點距最大功率輸出值就越遠，則△D=K1-K2（i）的值越大，此時追蹤速度較快；相反的，K2值越大，所選的采樣點距最大功率輸出值就越近，△D=K1-K2（i）的值越小，此時追蹤精度也有所提高。

5.2 實驗結果與分析

通過模擬仿真實驗對自適應算法的性能進行了研究和分析。使用Buck變換器連接負載與電源，選用MOSFET IRF840開關管，外加超快速恢復二極管；負載R0選取不可調阻性負載，輸出電感應纏繞于存在空氣間隙鐵磁芯上，控制回路則是分成三大部分。

（1）選擇Intel公司的產品80C196KC，其功耗較低，鎖存器選用74LS737，使用E2PROM 2864。

（2）選用精確度較高的霍爾電流傳感器和電壓傳感器共同組成接口電路，該電路過載能力較強，響應快，頻帶寬，極大的降低了待測電路的能量損耗。

（3）80C196KC有三個特點[4]：一是，8位A/D轉換，能夠根據系統運行的實際要求隨時選擇采樣位數，且8位采樣用時較短。10位采樣的分辨率能夠滿足太陽能電池采樣需求，掌控好采樣時間，因此，本實驗選用了10位A/D轉換。二是，在系統正常的運行時，振蕩信號的頻率可至16MHz，保證實時進行指令運算。三是，PWM波的產生方式多，可經脈沖寬度調節器或高速輸出部件HSO提供，后者的輸出路徑及分辨率明顯優于前者，且后者的每路輸出都能獨立的控制最大功率追蹤系統，因此，實驗選用HSO路徑來中斷PWM波形。

本實驗選用可調節的直流電源替代太陽能電池對不同溫度與光強下自適應算法的可行性進行驗證。通過直流電源電流及電壓的調節來代表外界環境的改變，表明外界環境對太陽能電池的影響，實驗過程中的差異可忽略，對整體的試驗進程沒有較大的影響。

6 結語

本文通過對試驗進行了整體的設計、實施并獲得結果，最后分析得出，將自適應算法應用到光伏發電系統的最大功率追蹤中的效果良好，該算法的追蹤速度及精度均較高，某種意義上來說，解決了太陽能電池非線性特性的問題，有效的提高了太陽能電池的轉化效率，具有較高的應用價值。

[1] 王磊.太陽能光伏并網發電系統的研究[D].天津工業大學,2013.

[2] K H Hussein,I Muta,T Hoshino,et al.Maximum Photovoltaic Power Tracking:An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions[J].IEE Proc.Gener.Trans.On Distrib,1995,142(1):59-64.

[3] 何薇薇,楊金明.太陽能光伏發電最大功率跟蹤系統研究[J].電力電子技術,2008,42(8):30-32.

[4] 李安定.太陽能光伏發電系統工程[M].北京:北京工業大學出版社,2001.