基于改進型變步長擾動觀察法的光伏發電最大功率點研究

浙江大學 李君妍

21世紀安全、清潔和可持續的能源供應是最重要的科學技術，也是人類面臨的最重要的技術挑戰，其中光伏發電是近年來發展最快的能量轉換方法之一。為了提高光伏發電的效率，最大功率點跟蹤技術已成為近年來的研究熱點之一。但光伏發電技術相對于火電、水電等傳統發電方式較不成熟，它發電效率低、受環境影響大，如何提高發電效率是近幾年研究的熱門內容之一。

光強度、溫度以及負載都是影響太陽能電池輸出特性的主要因素，在電壓一定的基礎上輸出功率才能達到最大值，因此太陽能電池可在最短的時間內產生最大的電能。而在此過程中，太陽能電池輸出功率特性曲線的最高點則為電壓功率點，其被稱之為最大功率點（Maximum Power Point，MPP）。通過分析太陽能電池的輸出特性，在溫度和光照同時變化時，這種情況下最大功率點的范圍跨度會變大。在光伏發電過程中，可對太陽能板的發電電壓通過運用最大功率點跟蹤技術實現實時檢測，并追蹤發電的最高電壓以及電流值，以此能實現最大化的系統輸出功率，進而促使光伏發電的效率有效提高，使得光伏發電的成本在一定程度上減少。

1 傳統最大功率點跟蹤技術

目前國內外研究人員一般情況下都會運用到的最大功率點跟蹤法包括恒壓跟蹤法、擾動觀察法、電導增量法，它們都有各自的優缺點。

恒壓跟蹤法。是太陽能電池最大功率點跟蹤方法中較早期的策略之一，是建立在恒定的電壓值基礎上保持以及控制光伏陣列的輸出電壓，在此過程中只需獲得最大功率點輸出對應的電壓數據，同時根據電壓數據控制電池的輸出電壓。這種方法從根本意義上并不屬于真正的MPPT控制方法，其主要原因是在于如果外界環境發生變化，那么在運用這種方法時并不能實現自動跟蹤到新的最大功率點處。

電導增量法。具備較為復雜的跟蹤過程，且檢測精度會受在很大程度上影響到最大功率點跟蹤的速度以及準確率。

擾動觀察法。在實際運用過程中需通過調整參考電壓、針對于最大功率點進行持續跟蹤，并要建立在P=UI計算擾動前后光伏陣列的輸出功率的基礎上，比較擾動前輸出功率以及擾動后輸出功率，本質上是一個自動尋找最優解的方法，故而又被稱之為爬山法。其缺點是在實際運用過程中并不能做到同時兼備在最大功率點附近的擺動及造成的功率損耗和穩態精度與跟蹤速度。目前國內外學者提出了以下方案：對爬坡率進行修改優化，對擾動觀察法在運用過程中的復合控制策略進行修改優化，能使MPPT的整體性能獲得進一步改善；針對于跟蹤速度以及穩態精度同時存在的問題，可通過恒定電壓法與擾動觀察法相互結合的復合控制策略加以解決。但無論是恒壓跟蹤法還是擾動觀察法以及電導增量法，其在實際運用過程中都存在著電壓增量步長不容易確定的問題，這種情況下也就意味著應深入研究步長的設定。

傳統擾動觀察法原理。傳統的定步長擾動觀察法在改變輸出功率的過程中，是通過對光伏電池工作的每個周期內的電壓施加擾動得以實現，以此對功率進行尋優[1]。它的特點為加入一個干擾，利用干擾的影響追蹤最大功率點。其步長為dk=dk-1±N×Δd，其中Δd是最小設定步長，N是大于0的整數，N的值越大則表示調整的步長越大，反之調整的步長越小。

2 仿真結果與分析

2.1 改進的變步長擾動觀察法MPPT的模型

傳統定步長擾動觀察法也有缺點：擾動步長變小能實現功率振蕩減小，但卻會加長跟蹤時間；反之，擾動步長變大雖能實現縮短蹤時間，但卻會導致功率振蕩變大。存在跟蹤速度和跟蹤精度二者不可兼得的缺點[2]。本文對步長進行了較為合理的取值，比較之前和之后測得的兩個功率值后，如果兩個值變化很小則意味著輸出功率接近最大功率點，此時的步長變化很小。反之，如果兩個值變化很大，由于輸出功率不在最大功率點附近，此時的階躍變化也變化較大，階躍變化較大可減小功率波動并提高跟蹤速度。

該模型令前后兩次的步長dk、dk-1滿足 dk=f|ΔP|/dk-1，其中dk的取值在0與1之間變化；|ΔP|=P(k)-P(k-1)，表示功率的變化；f反應了步長調節的靈敏性，是一個常數。當ΔP很小時|ΔP|/dk-1也很小，那么dk很小即步長變小；同理當|ΔP|很大時|ΔP|/dk-1也很大，dk很大即步長變大，因此可以提高跟蹤最大功率的速度。

調節Boost電路中PWM信號的占空比可以進行與光伏列陣的輸出阻抗匹配，可減少設計的復雜度，因此可將光伏發電接入Boost電路中，實現MPPT。

2.2 仿真

光伏發電系統包括光伏陣列、MPPT跟蹤控制器、直流變換器及負載。系統仿真結構圖如圖1。MPPT跟蹤控制器通過電流、電壓傳感器檢測得到光伏陣列的輸出電流Ip與輸出電壓Up，兩者相乘得到其輸出功率。比較輸出功率與最大功率間的差值通過MPPT跟蹤控制器調整光伏陣列的輸出電壓期望值UREF，將UREF與Up進行比較，控制得到期望的PWM波，使得Up能夠跟隨UREF，從而光伏電池即能工作在最大功率點上。

圖1 光伏發電系統仿真結構圖

2.3 仿真結果與分析

光強和溫度變化時光伏發電系統中電壓的變化被稱之為仿真結果。通過變換器輸出的提供給負載的功率被稱之為輸出功率；太陽能電池發出的輸入給變換器的功率被稱之為輸入功率。設置溫度一開始為25℃，0.1s時溫度變為15℃，0.2s時溫度變為45℃。光照強度一開始為1000W/m2，0.1s時為600W/m2，0.2s時為800W/m2。

圖2顯示了溫度和光強變化時，采用傳統定步長P&O法光伏電源的輸出功率，由圖可知，光伏列陣達到最大功率的時間相對較長且存在著功率的波動。圖3顯示了采用改進的變步長擾動法后光伏系統輸出的功率波形圖，圖中輸出功率能很快到達最大功率點，而且在0.2s與0.4s外界條件變化時，輸出的功率很穩定。因此，本文提出的改進的P&O方法精度更高，到達最大功率點的速度更快，功率波動較小，在實際情況中應用度更高。本文模型和傳統定步長P&O模型間的指標分別為：到達最大功率點時間0.01s/0.06s，功率波動較小/較大，誤差百分比13.66%/20.86%。

圖2 傳統P&O法下輸出功率

圖3 改進變步長P&O法下輸出功率

綜上，未來MPPT的研究中可考慮如下改進：更多研究比較不同算法的仿真結果，得出在不同規模、地區、用途下的環境中應使用哪一種算法；挑選跟蹤效果、硬件設備、算法復雜程度都較優的算法進行實驗驗證，比較與仿真結果的差別。