變步長電導(dǎo)增量法在光伏系統(tǒng)最大功率點跟蹤的應(yīng)用研究

趙曉亮，孟慶端

（河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河南 洛陽 471023）

光伏發(fā)電系統(tǒng)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(huán)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(jìn)行實時調(diào)控，使其盡可能穩(wěn)定工作在最大功率點附近，這就是光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)（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(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)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(fā)生突變時，系統(tǒng)會產(chǎn)生誤判和擾動；電導(dǎo)增量法則可以迅速響應(yīng)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(wěn)定精度的問題。本文提出了一種變步長電導(dǎo)增量法，用來緩和最大功率點追蹤的速度和穩(wěn)定精度的矛盾。通過MATLAB/Simulink 仿真，結(jié)果表明，提出的變步長電導(dǎo)增量法在外界條件發(fā)生突變時，可以快速準(zhǔn)確地追蹤到最大功率點，并保證追蹤速度和穩(wěn)定精度。

1 光伏系統(tǒng)的MPPT 原理

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出功率和光照強度、環(huán)境溫度存在非線性關(guān)系，光伏電池的輸出特性是指在溫度恒定的前提下，對應(yīng)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(dāng)電壓增大到某一數(shù)值時，輸出功率達(dá)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(yīng)于某一溫度，電流開始基本保持不變，當(dāng)電壓增大到某一數(shù)值時，電流會出現(xiàn)急劇下降。

光伏MPPT 系統(tǒng)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(tǒng)如圖1所示。當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載與電源內(nèi)阻相等時，負(fù)載得到最大功率。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，在光伏組件和負(fù)載之間串聯(lián)一個DC/DC變換電路，等效為一個外部負(fù)載。MPPT 控制器根據(jù)采集的輸出電壓和電流通過MPPT 控制算法來調(diào)整開關(guān)管占空比，將信號送至PWM 發(fā)生器，輸出相應(yīng)的脈沖信號來控制開關(guān)管的通斷，實現(xiàn)最大功率點的跟蹤控制。

圖1 基于BOOST 電路實現(xiàn)光伏MPPT 的原理圖

1.1 傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)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(xiàn)輸出功率的最大化。設(shè)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(dǎo)，可得

此時,可分為三種情況：當(dāng)dP/dU 大于0 時，光伏組件工作點在最大功率點左側(cè)，需要增加擾動，增大輸出電壓；當(dāng)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(yīng)停止擾動，當(dāng)dP/dU 小于0 時，此時，光伏組件工作點在最大功率點右側(cè)，應(yīng)減小擾動，輸出控制信號。

傳統(tǒng)的電導(dǎo)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(tài)對比的變步長電導(dǎo)增量法

為解決傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法在追蹤速度和穩(wěn)定精度之間的矛盾，本文提出了基于步長動態(tài)對比的一種變步長電導(dǎo)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(jìn)行追蹤，從而降低在最大功率點附近的波動。根據(jù)光伏電池功率輸出的P-U 曲線可知，當(dāng)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(dāng)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(shè)為曲線斜率，在擾動過程中增加動態(tài)比較環(huán)節(jié)，讓實時斜率與定步長進(jìn)行實時比較，將比較后較小的值輸出作為動態(tài)擾動步長，進(jìn)行最大功率點動態(tài)追蹤。

1.3 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK 平臺上搭建兩種算法的光伏發(fā)電MPPT 仿真模型，仿真初始狀態(tài)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(dǎo)增量法的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 兩種電導(dǎo)增量法MPPT 仿真結(jié)果

由圖2（a）可知，采用傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法在0.32s 左右光伏系統(tǒng)追蹤到最大功率點時，系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時，穩(wěn)態(tài)最大功率為3033.2W，穩(wěn)態(tài)最小功率為3003.5W，穩(wěn)態(tài)波動差值為26.7W，穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.89%，在0.45s 時光照強度發(fā)生了突變，可以看出光伏系統(tǒng)的輸出功率隨著光照強度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)變化，系統(tǒng)在0.46s 左右系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時穩(wěn)態(tài)最大功率為2333.3W，穩(wěn)態(tài)最小功率為2319.1W，穩(wěn)態(tài)波動差值為14.2W，穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.61%，可知采用傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法在光伏系統(tǒng)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(jìn)的變步長電導(dǎo)增量法仿真模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2（b）所示，采用變步長電導(dǎo)增量法的最大功率點追蹤過程更加平穩(wěn)，在0.27s 左右系統(tǒng)追蹤到最大功率點，系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)，此時，穩(wěn)態(tài)最大功率為3030.1W，穩(wěn)態(tài)最小功率為3019.1W，穩(wěn)態(tài)波動差值為11.0W，穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.36%，在0.45s 時光照強度發(fā)生了突變，同樣在0.46s 左右系統(tǒng)進(jìn)入了穩(wěn)定狀態(tài)時，穩(wěn)態(tài)最大功率為2333.2W，穩(wěn)態(tài)最小功率為2329.1W，穩(wěn)態(tài)波動差值為4.1W，穩(wěn)態(tài)震蕩率為0.17%；兩種電導(dǎo)增量法的仿真對比如圖8 所示，可知改進(jìn)的變步長電導(dǎo)增量法在進(jìn)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(jié)語

本文在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上提出了一種基于步長動態(tài)對比的變步長電導(dǎo)增量法，通過仿真結(jié)果對比，表明改進(jìn)的算法在進(jìn)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(tǒng)電導(dǎo)增量法在追蹤速度和穩(wěn)定精度之間的矛盾。