變步長電導增量法在光伏系統最大功率點跟蹤的應用研究

趙曉亮，孟慶端

（河南科技大學電氣工程學院，河南 洛陽 471023）

光伏發電系統中的光伏電池作為能量供給單元，其功率輸出隨著溫度和光照強度的變化而變化，在某一工作環境下，其功率輸出有唯一的最大值。為充分利用光伏電池的能效，需要對光伏電池的最大功率輸出點進行實時調控，使其盡可能穩定工作在最大功率點附近，這就是光伏發電系統最大功率點跟蹤技術（maximum power point tracking，MPPT）。

目前常用的MPPT 方法有恒定電壓法，擾動觀測法和電導增量法。恒定電壓法具有控制簡單，追蹤速度快，但不適于溫度突變的情況；擾動觀測法結構簡單，參數使用較少，但存在追蹤速度和精度的自有矛盾，并且在光照強度發生突變時，系統會產生誤判和擾動；電導增量法則可以迅速響應光照強度的變化，并且具有較高的控制精度，但存在追蹤步長選擇無法兼顧追蹤速度和穩定精度的問題。本文提出了一種變步長電導增量法，用來緩和最大功率點追蹤的速度和穩定精度的矛盾。通過MATLAB/Simulink 仿真，結果表明，提出的變步長電導增量法在外界條件發生突變時，可以快速準確地追蹤到最大功率點，并保證追蹤速度和穩定精度。

1 光伏系統的MPPT 原理

在光伏發電系統中，光伏電池的輸出功率和光照強度、環境溫度存在非線性關系，光伏電池的輸出特性是指在溫度恒定的前提下，對應于某一光照強度，隨著輸出電壓的增加，光伏電池的輸出功率也隨之增大，當電壓增大到某一數值時，輸出功率達到最大值，此處為最大功率點處，之后輸出功率隨著電壓增大開始減小。在光照恒定的前提下，對應于某一溫度，電流開始基本保持不變，當電壓增大到某一數值時，電流會出現急劇下降。

光伏MPPT 系統主要有光伏陣列、DC/DC 變換電路、MPPT 控制器組成。基于Boost 電路的光伏MPPT 系統如圖1所示。當系統的負載與電源內阻相等時，負載得到最大功率。在光伏發電系統中，在光伏組件和負載之間串聯一個DC/DC變換電路，等效為一個外部負載。MPPT 控制器根據采集的輸出電壓和電流通過MPPT 控制算法來調整開關管占空比，將信號送至PWM 發生器，輸出相應的脈沖信號來控制開關管的通斷，實現最大功率點的跟蹤控制。

圖1 基于BOOST 電路實現光伏MPPT 的原理圖

1.1 傳統的電導增量法

電導增量法是通過改變電池陣列輸出電流和電壓的變化率來實現輸出功率的最大化。設電池陣列的輸出功率P=UI，其中U、I 分別為輸出電壓和輸出電流，此時等式兩邊對電壓U 求導，可得

此時,可分為三種情況：當dP/dU 大于0 時，光伏組件工作點在最大功率點左側，需要增加擾動，增大輸出電壓；當dP/dU 等于0 時，光伏組件輸出功率最大，工作于最大功率點處，應停止擾動，當dP/dU 小于0 時，此時，光伏組件工作點在最大功率點右側，應減小擾動，輸出控制信號。

傳統的電導增量法采用的是固定步長擾動，若步長選取過小，雖然追蹤精度會提升，同時追蹤速度較慢；若步長選擇過大，雖然追蹤速度加快，但是，不能保證追蹤的精度，會加大最大功率追蹤過程中的波動，造成能量損失。

1.2 基于步長動態對比的變步長電導增量法

為解決傳統的電導增量法在追蹤速度和穩定精度之間的矛盾，本文提出了基于步長動態對比的一種變步長電導增量法，其思路是在用大步長保證追蹤速度到最大功率點附近時，改用小步長進行追蹤，從而降低在最大功率點附近的波動。根據光伏電池功率輸出的P-U 曲線可知，當曲線上的點越來越靠近最大功率點時，曲線的斜率越來越小，當曲線斜率為0 時，此時，光伏電池的工作點在最大功率點處，因此，本文將擾動步長設為曲線斜率，在擾動過程中增加動態比較環節，讓實時斜率與定步長進行實時比較，將比較后較小的值輸出作為動態擾動步長，進行最大功率點動態追蹤。

1.3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK 平臺上搭建兩種算法的光伏發電MPPT 仿真模型，仿真初始狀態在光照強度1000W/m2，溫度為25℃條件下，在0.45s 時光照條件從1000W/m2突然降至800W/m2。兩種電導增量法的仿真結果如圖2 所示。

圖2 兩種電導增量法MPPT 仿真結果

由圖2（a）可知，采用傳統的電導增量法在0.32s 左右光伏系統追蹤到最大功率點時，系統進入了穩定狀態，此時，穩態最大功率為3033.2W，穩態最小功率為3003.5W，穩態波動差值為26.7W，穩態震蕩率為0.89%，在0.45s 時光照強度發生了突變，可以看出光伏系統的輸出功率隨著光照強度的變化而產生相應變化，系統在0.46s 左右系統進入了穩定狀態，此時穩態最大功率為2333.3W，穩態最小功率為2319.1W，穩態波動差值為14.2W，穩態震蕩率為0.61%，可知采用傳統的電導增量法在光伏系統最大功率點跟蹤時，光伏陣列輸出功率有較大的波動。

在相同條件下，對改進的變步長電導增量法仿真模型進行仿真，仿真結果如圖2（b）所示，采用變步長電導增量法的最大功率點追蹤過程更加平穩，在0.27s 左右系統追蹤到最大功率點，系統進入了穩定狀態，此時，穩態最大功率為3030.1W，穩態最小功率為3019.1W，穩態波動差值為11.0W，穩態震蕩率為0.36%，在0.45s 時光照強度發生了突變，同樣在0.46s 左右系統進入了穩定狀態時，穩態最大功率為2333.2W，穩態最小功率為2329.1W，穩態波動差值為4.1W，穩態震蕩率為0.17%；兩種電導增量法的仿真對比如圖8 所示，可知改進的變步長電導增量法在進行最大功率點跟蹤時，在保證追蹤速度的同時，還能夠有效地減少光伏陣列輸出功率波動。

2 結語

本文在傳統電導增量法的基礎上提出了一種基于步長動態對比的變步長電導增量法，通過仿真結果對比，表明改進的算法在進行光伏陣列最大功率點追蹤時，不僅可以保證追蹤速度，還能降低在追蹤過程中光伏陣列輸出功率波動，有效地改善了傳統電導增量法在追蹤速度和穩定精度之間的矛盾。