基于變步長法的光伏發電系統最大功率點跟蹤

滿達

摘? 要：光伏發電系統的最大功率點跟蹤是提高發電效率的有效方式之一。文章提出改進的3階變步長擾動算法實現最大功率點的跟蹤，通過仿真對比了變步長和固定步長最大功率點跟蹤的效果，結果表明改進后的變步長MPPT算法可以提高最大功率點跟蹤的穩定性和效率，較改進前具有較大的優勢。

關鍵詞：光伏發電;最大功率點跟蹤;MATLAB

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）27-0053-03

Abstract： The maximum power point tracking of photovoltaic power generation system is one of the effective ways to improve the efficiency of photovoltaic power generation. In this paper， an improved third-order variable step size disturbance algorithm is proposed to realize maximum power point tracking. The effects of variable step size and fixed step size maximum power point tracking are compared by simulation. The results show that the improved variable step size MPPT algorithm can improve the stability and efficiency of maximum power point tracking.

Keywords： photovoltaic power generation; maximum power point tracking; MATLAB

太陽能光伏發電是當前太陽能利用的主要模式之一，也是我國開發可再生能源利用的主要途徑[1]。但是，發電效率低仍是光伏發電需要解決的問題。如何在前期研究的基礎上，進一步提高光伏面板的光電轉換效率，是光伏發電系統研究的熱點。在光伏發電系統中，最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術通過實時跟蹤不同環境條件下，光伏面板輸出的最大功率，不斷跟蹤最大功率點保持輸出功率最大，以提高光伏發電系統對太陽能的整體利用效率，進而獲得更多電能，進一步降低光伏發電系統的成本。常用的最大功率點跟蹤法包括恒壓跟蹤法[2-3]、電導增量法[4-6]以及擾動觀察法[7-8]。恒壓跟蹤法通過保持恒壓的方式，只能跟蹤到近似最大功率點，并不能達到實際的最大功率點。增量電導法跟蹤過程較為復雜，此外最大功率點跟蹤的速度和精度受檢測精度的影響較大。擾動觀察法通過調整參考電壓，不斷跟蹤最大功率點，本質上是一個自動尋找最優解的方法。該算法相對簡單，而且對檢測的精度要求不高，非常有利于硬件實現，得到了廣泛的應用。上述三種方法都存在電壓增量步長不容易確定的問題，需要對步長的設定進行深入的研究。本文針對擾動觀察法進行優化改進，提出了一種3階變步長的MPPT算法，并建立了光伏發電系統的仿真模型，對比常規固定步長的擾動觀察法，驗證了所提出改進算法的優越性。

1 三階變步長擾動觀察法

固定步長擾動觀察法的具體實現步驟如下：逐步增加最大功率點跟蹤電路開關的占空比，若光伏面板的輸出功率隨著占空比的增加而增加，則繼續增加占空比，直到光伏面板的輸出功率減小;如果輸出功率隨著占空比增加而減小，則需要降低占空比。每次占空比的改變值稱為擾動步長△d。選擇擾動步長要充分考慮光伏發電系統的動態響應速度以及穩定狀態下的控制精度。△d取值更大時，可以更快地響應外界環境變化，但容易在最大功率點附近產生較大的功率振蕩;△d取值更小時，在最大功率點附近時產生的功率振蕩會更小，但是響應系統外界環境變化的能力更差[8]。為了提高擾動觀察法對不同外界環境的適應性，有必要對固定步長進行優化，形成3階變步長的擾動觀察法。

3階變步長擾動觀察法的過程如下：將初始基準值選擇為0.76倍的開路電壓，然后再控制光伏面板的輸出電壓從基準電壓向最大功率點電壓方向移動，采用3階不同的步長改進擾動觀察法進行跟蹤。為了更好地實現自適應變步長，形成△1、△2以及△3的3階不同步長，且△3<△1<△2。比較當前光伏輸出功率值與前一時刻功率的差值：如果差值大于PA，則選擇擾動步長為△2;如果差值小于PB，則選擇擾動步長為△3;如果差值在PA與PB之間，則選擇擾動步長為△l。這里，PA和PB分別為設置的較大和較小的功率差門限值，該方法的具體流程如圖1所示。

2 光伏發電系統的仿真模型建立

以圖2所示的獨立太陽能光伏發電系統為例進行最大功率點跟蹤算法的仿真計算。

2.1 光伏電池的模型

光伏電池單元的等效電路如圖3所示。

參照文獻[9]中的分析方法，在MATLAB中建立了光伏電池的模型，如圖4所示。

仿真時，光伏電池仿真參數如下：最大功率點對應的峰值電流Im和電壓Vm分別為13.88A和288V，開路電壓Voc=354V，短路電流Isc=14.88A，光電池組件的溫度參考值Tref=25℃，串聯電阻Rs=0.5Ω。在參考照度Sref=1000W/m2下，電流變化溫度系數a和電壓變化溫度系數b分別取0.0025A/℃和0.0028V/℃。

2.2 Boost變換器的建模

Boost變換器是升壓變換器，屬于并聯型開關變換器，該類變換器可以用于電壓的升高，不僅電路的結構和控制簡單，而且具有效率高的優點。Boost變換器工作在輸入電流連續的狀態，只要保證輸入電感足夠大，電感上的紋波電流足夠小，此時可以近似認為是直流電流。本文建立的Boost變換器的仿真模型如圖5所示。

2.3 光伏發電系統建模

最終建立的光伏發電系統的仿真模型如圖6所示。

3 不同算法仿真結果分析

設置環境溫度為25℃，光照強度為1000W/m2，設置改進的MPPT變步長計算方式，運行仿真，得到仿真結果。圖7和圖8所示分別為電壓和電流的波形。

在同樣的仿真條件下，選擇固定步長MPPT算法，對比兩種不同算法下光伏面板輸出功率隨時間的變化，如圖9所示（虛線為變步長算法）。

從圖9中可以看出變步長算法在0.04s的時候已經追蹤到了最大功率點，達到最大功率點的時間較固定步長的0.06s要短，而且之后的功率波動也要小于固定步長算法的小，說明改進后的變步長MPPT算法可以較快并且更穩定地追蹤最大功率點，較改進前具有很大的優勢。

4 結束語

本文對擾動觀察法改進，提出3階不同步長的MPPT算法，并建立了獨立光伏發電系統的仿真模型，仿真對比了固定步長和變步長法的結果。驗證結果表明該算法改善了傳統擾動觀察法的動態性能，變步長法能快速穩定地跟蹤最大功率，并有效地解決了定步長擾動觀測法中跟蹤的穩定性和快速性相互矛盾的問題，進一步提高了系統的跟蹤精度和效率。

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