基于直方圖的改進擾動觀察算法研究

李讓軍，侯利龍，顧重陽

（鄭州科技學院 電氣工程學院，河南 鄭州 450064）

為了充分利用太陽能，最大功率點跟蹤（MPPT）算法是光伏發電的關鍵技術。從目前研究現狀來看，確實有一些算法能夠跟蹤最大功率點，諸如恒定電壓跟蹤法(CVT)、擾動觀測法(P&O)、增量導納法(INC)等。擾動觀察法只需要判斷電壓和功率是增大還是減小，因此控制方法簡單。但是，該方法只適合在光照強度變化較慢的外界條件下使用，無法同時兼顧跟蹤速度與精度，且實際輸出功率在最大功率點的附近做小范圍的振蕩，并不能達到穩定的最大功率輸出值，這樣勢必會降低光電的轉換效率，造成一定功率的損失。根據大量研究，本文針對擾動法產生振蕩的原因，使用直方圖對輸出電壓進行統計分析，獲得最優最大功率點，能夠有效提高最大功率點的準確性，降低光伏電池的功率損失。

1 光伏電池特性

根據電子學理論，光伏電池工作于發電狀態的電流方程表達式為：

對光伏電池數學模型分析可知：

其中，

Isc、Uoc、Im、Um分別為光伏電池的短路電流、開路電壓、最大功率點電流和最大功率點電壓。

2 基于直方圖的MP P T的實現

2.1 擾動觀察法

設定光伏電池開始工作在 P(k)點，通過設置一個擾動量 ΔV (k) ，控制器檢測前后兩次功率值并進行比較，如果 P(k+1)＞ P(k)，即輸出功率是增大的，則說明擾動方向正確，按原來方向繼續增加ΔV (k)，直到最大功率點Pm附近。反之則反方向擾動。

2.2 直方圖算法

直方圖是數據統計特性與數值之間的函數，能夠提供原始數值分布情況，橫坐標表示光伏電池出現的電壓值，縱坐標為各個電壓值出現的次數，查看電壓值的分布狀態。當功率到達最高點后，因為一直處于振蕩狀態，電壓值出現的頻率也會增高。

2.3 MP P T算法分析

對電壓進行直方圖分析，更改ΔV(k)的大小。光伏最大功率點處的電壓UMPP分布在固定值Uoc的0.8倍附近，本算法中Atten=0.9，控制流程框圖如圖1所示。

圖1 本文算法控制流程圖

3 算法實現及結果分析

設置溫度為30℃，光照強度為2000W/m2，使用Matlab軟件對本文算法進行仿真，光伏電池的輸出電壓逐漸趨于穩定，能夠搜索到光伏電池的最大值。擾動法取最新出現的電壓值為光伏電池的輸出電壓值，與理論值的偏差是2.5%，而本文算法的偏差是0.26%，性能提高89.6%。為了說明算法的有效性，設置溫度為標準溫度25℃，光照強度在200～1500W/m2之間隨機選取50個樣本值，得到如圖2所示的功率曲線。其中，每條曲線表示某一光照強度下的P—U曲線，曲線上的實心圓標記點則是相應的最大輸出功率點。

圖2 不同光照條件下的P-U 曲線

為更精確地查看最大功率點的偏差情況，獲得圖2的偏差數據，最大偏差是0.67%，最小偏差值是2.793×10-6，偏差平均值為0.23%。本文所提基于直方圖的 MPPT 算法，能有效地對最大功率點進行準確跟蹤。

4 結語

本文分析了光伏電池等效電路及輸出特性，仿真結果驗證了本文算法的準確性和有效性，但追蹤到的最大功率與理論值仍有一定的偏差，因此可進一步研究改進型的擾動觀察法來提高精確度。

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