一種應用于光伏電池MPPT的變步長爬山法

安徽理工大學 潘惠琴

光伏電池的輸出特性與外界環境有關，為了能夠提高光伏電池的利用效率，需對光伏電池進行最大功率點跟蹤。其中，擾動觀察法的應用較廣泛，提出了一種變步長擾動觀察法，對傳統的擾動觀察法進行了改進。

1 概述

隨著化石能源的枯竭以及環保問題越來越受到重視，各國開始投資光伏產業并制定相應的政策以刺激光伏產業的發展（曹龍漢,余佳玲,李景南,陳福光.基于MATLAB/Simulink的光伏電池仿真建模研究[J].半導體光電,2015,36(05):718-721）。然而，對光伏發電系統而言，太能能轉換為電能，效率較低，因此應著眼于解決光伏電池輸出效率的問題。

本文提出了一種改進變步長擾動觀察法的最大功率點跟蹤（MPPT）方法，能快速、有效地減小在最大功率點（MPP）處的振蕩，使得光伏電池轉換電能的利用率能得到顯著的提高。

2 擾動觀察法工作原理

2.1 光伏電池輸出特性

光伏電池的輸出特性受到溫度、光照強度等外界因素的影響，其輸出的PV特性曲線是非線性的（高金輝,邢倩,馬高峰.光伏電池新型仿真模型及MPPT控制器的研究[J].電測與儀表,2014,51(17):107-111）。圖1所示為光伏電池PV輸出特性曲線。

從光伏電池PV曲線的仿真結果可知，在不同的工作環境下，其輸出功率隨著輸出電壓的增大，先增大后減小，且此過程一直是動態變化的，為了使光電轉換的效率提高，應提高最大功率點追蹤的速度和準確性。

圖1 光伏電池PV輸出特性

圖2 擾動觀察法尋優

圖3 MPPT控制流程圖

2.2 傳統擾動觀察法（P&O）的工作原理

擾動觀察法（郭明明,沈錦飛.基于改進變步長電導增量法光伏陣列MPPT研究[J].電力電子技術,2011,45(7):14-16）工作原理簡述為：每隔一段時間提高或減少光伏電池的輸出電壓并觀察其受到干擾后系統輸出功率變化的情況，再來判斷電壓的調整方向是否正確，進而調整干擾的方向。擾動觀察法的尋優過程如圖2所示。

由圖2所示可知，傳統的定步長擾動觀察法在尋優時一般在最大功率點附近振蕩。若選取較大步長，增加跟蹤速度，但使得振蕩幅度加大，導致穩態性能降低；若選取較小步長，改善了穩態性能，但是造成跟蹤速度降低。因此對于擾動步長的設置是判斷系統跟蹤性能的關鍵。

圖4 光伏模塊輸出波形圖

2.3 變步長擾動觀察法

本文提出的改進變步長擾動觀察法的措施，就是通過引進一個變步長因子，利用它來調節擾動時的步長。的大小與離最大功率的距離的遠近有關，即距離最大功率點處越近，其值越小，保證了兩邊的收斂速度，即。變步長因子的取值范圍為0～1，在爬坡過程中，值與輸出電壓大小成反比，即輸出電壓越大，值越小，值取決于功率差值或電壓差值，現以功率差為例，取值為函數值。本文所提出的改進的變步長擾動觀察法的控制流程如圖3所示。

由圖3所示可以看出，本文提出的變步長擾動觀察法與傳統定步長擾動觀察法的最大不同點：引入了一個變步長因子。其中，通過的正負，能夠準確判斷其擾動方向。

3 仿真分析與結果

由圖4可知，在1s時，當光照強度由800w/m2變為1000w/m2，光伏電池輸出的功率明顯升高。在1s時，當外界溫度由15℃變為25℃，光伏電池輸出的功率變化幅度較小。因此，光照強度對功率的影響程度遠遠大于溫度。

4 結論

本文針對光伏電池的MPPT控制，簡明扼要的描述了傳統擾動觀察法的局限性，并針對這一缺陷，提出了改進措施，通過引入變步長因子，保證了其收斂速度和穩定性。并通過MATLAB仿真驗證，所提出的改進模型是正確的。