基于變步長(zhǎng)擾動(dòng)的光伏MPPT 算法

呂陽(yáng)

（陜西東方航空儀表有限責(zé)任公司，陜西 漢中 723102）

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇，各行各業(yè)都在飛快發(fā)展。能源是保障及制約社會(huì)發(fā)展的重要因素。若能源匱乏，將嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)建設(shè)。相較于其他可再生能源，如風(fēng)能、水能等能源，受區(qū)域及特定環(huán)境影響。太陽(yáng)能的資源非常豐富，是新能源領(lǐng)域的翹楚，也是未來(lái)的一個(gè)大趨勢(shì)[1]。充分利用太陽(yáng)能資源，對(duì)于緩解能源危機(jī)，保證社會(huì)發(fā)展有著巨大的意義。

當(dāng)下，利用太陽(yáng)能發(fā)電就要提高太陽(yáng)能電池的工作效率。研究發(fā)現(xiàn)，光照強(qiáng)度和溫度參數(shù)會(huì)限制太陽(yáng)能電池的工作效率。并不是如慣性思維所認(rèn)知的：光照強(qiáng)度越強(qiáng)，溫度越高，太陽(yáng)能的發(fā)電效率就越強(qiáng)。而是當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)滿足特定條件時(shí)，太陽(yáng)能電池才會(huì)保持最大輸出功率。因此，如何提升太陽(yáng)能發(fā)電效率，是新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。目前，業(yè)內(nèi)公認(rèn)使太陽(yáng)能電池在最大功率輸出的技術(shù)被稱之為MPPT（Maximum Power Point Tracking，最大功率點(diǎn)跟蹤）控制技術(shù)[2]。通過(guò)MPPT 算法的控制，可以提高太陽(yáng)能利用率，解決一系列的能源問(wèn)題。

此類算法均是通過(guò)了解太陽(yáng)能電池基本特性，采集太陽(yáng)能電池的電壓、電流，推算太陽(yáng)能最大功率點(diǎn)，加以控制算法調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤，提升太陽(yáng)能系統(tǒng)的效率。目前經(jīng)典的控制算法有定電壓法、擾動(dòng)觀測(cè)法、變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法等。此類算法應(yīng)用在工程實(shí)際中，極大地提高了太陽(yáng)能發(fā)電的效率[3-4]。

本文首先介紹了太陽(yáng)能發(fā)電的基本原理，然后給出了定電壓法與擾動(dòng)觀測(cè)法與及步長(zhǎng)可調(diào)控的擾動(dòng)觀測(cè)法的原理。最后，利用Matlab 驗(yàn)證了本文方法的正確性。

1 太陽(yáng)能電池特性

1.1 太陽(yáng)能電池模型

太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的載體。必須通過(guò)載體，才能實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換過(guò)程[5-6]。因此，對(duì)太陽(yáng)能電池單元進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以得到其量化的數(shù)學(xué)關(guān)系。常見的太陽(yáng)能電池等效電路圖如圖1 所示。

圖1 太陽(yáng)能電池等效電路圖

對(duì)量化的數(shù)學(xué)關(guān)系進(jìn)行化簡(jiǎn)及分析可以得到式（1）：

式（1）中：Ipv為光伏輸入電流；Irev為溫度T下的反向飽和電流；q為電子電荷量（1.602e-19J）；v為二極管電壓；k為固定的常數(shù)（1.381e-23J/K）；T為溫度。

太陽(yáng)能電池輻射率G與Isc是正相關(guān)的關(guān)系，即光照強(qiáng)度G越大，Isc越大。

從式（1）可以看出：太陽(yáng)能電池輸出電流直接受光照強(qiáng)度及溫度影響[7]。設(shè)置太陽(yáng)能電池參數(shù)S=1 000 W/m2，T=25 ℃時(shí)，最大輸出功率Pmax=80 W，開路電壓Uoc=20 V，短路電流Isc=7.5 A，最大功率點(diǎn)電壓Umax=16 V，最大功率點(diǎn)電流Imax=5 A。

根據(jù)式（1）在Matlab 軟件中做出Pmax與G和T之間的曲線圖，如圖2 所示。

圖2 U-P 曲線

從圖2 中可以看出：在T與G不變的時(shí)候，太陽(yáng)能電池的U-P曲線圖存在最大功率點(diǎn)，在此點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)會(huì)輸出最大功率。如果光照強(qiáng)度增強(qiáng)，太陽(yáng)能最大輸出功率增加。如果溫度降低，太陽(yáng)能最大輸入功率增加。只有當(dāng)光照強(qiáng)度及溫度保持合適的點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能最大功率追蹤。

1.2 Boost 變換器建模

太陽(yáng)能電池的功率若想傳遞到后級(jí)，常常需要DC-DC 電路作為其能量傳遞的載體。本文選用Boost作為MPPT 的載體[8-10]。Boost 電路如圖3 所示。

圖3 Boost 電路

圖3 中，S 為控制開關(guān)，D 為二極管，L 為電感，C 為穩(wěn)壓電容。因此在Boost 電路工作時(shí)，利用傳感器采集電壓電流后，經(jīng)過(guò)MPPT 算法控制工作電壓[11-14]，使其保持最大功率輸出，以提升太陽(yáng)能的利用效率。

2 光伏MPPT 策略設(shè)計(jì)

2.1 定電壓法光伏MPPT 的工作原理

太陽(yáng)能輸出功率曲線如圖4 所示。

圖4 太陽(yáng)能輸出功率曲線

從圖4 可知：若對(duì)于某個(gè)確定的太陽(yáng)能電池，假設(shè)在光照強(qiáng)度與溫度不改變，此刻最大功率輸出點(diǎn)為C點(diǎn)。若Boost 工作電壓為C點(diǎn)時(shí)的工作電壓，可實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，保證太陽(yáng)能電池處于最大利用率中。

從上述分析可知：定電壓法即是利用電子控制手段，將Boost 電路的工作電壓恒定地維持到太陽(yáng)能電池典型的工作電壓，達(dá)到最大功率輸出的目的。

此種控制的優(yōu)點(diǎn)在于：在環(huán)境固定不變的系統(tǒng)中，可以迅速追蹤到太陽(yáng)能電池MPPT 點(diǎn)。并且采集變量少，控制簡(jiǎn)單，可行性強(qiáng)。

此種控制的缺點(diǎn)在于：由于實(shí)際中光照強(qiáng)度與溫度在不停變化，最大功率輸出點(diǎn)會(huì)不停變化。而定電壓法由于將工作電壓固定，所以無(wú)法準(zhǔn)確追蹤到最大輸出功率。若在極端天氣下，與最大功率追蹤點(diǎn)的偏差會(huì)拉得更遠(yuǎn)。這將限制太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率。

這種方法屬于開環(huán)調(diào)節(jié)，所以迫切需要能實(shí)時(shí)追蹤最大功率的MPPT 算法，以提高太陽(yáng)能光伏發(fā)電的工作效率。

2.2 擾動(dòng)觀測(cè)法光伏MPPT 的工作原理

從圖4 可以看出，C點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率輸出點(diǎn)，又被命名為最大功率輸出點(diǎn)。

該方法的核心思路是：通過(guò)本次采樣功率與上次采樣功率進(jìn)行對(duì)比。以A點(diǎn)為例，若是本次采樣功率大于上次功率，則以固定步長(zhǎng)抬升工作電壓，以提升輸出功率。從A點(diǎn)到C點(diǎn)的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了最大功率追蹤。若是剛好到達(dá)C點(diǎn)，即最大功率輸出電。本次采樣功率等于上次功率，則以固定步長(zhǎng)不變，保持此刻的輸出功率。以B點(diǎn)為例，若是本次采樣功率小于上次功率，則以固定步長(zhǎng)降低工作電壓以提升輸出功率。

此種控制的優(yōu)點(diǎn)在于：可以根據(jù)光照強(qiáng)度和溫度的變化，實(shí)時(shí)進(jìn)行最大功率尋優(yōu)。不會(huì)像定電壓法一樣，無(wú)法適應(yīng)環(huán)境的變化，且操作簡(jiǎn)單，控制性較強(qiáng)，也是目前工程上主流的方法之一。

此種控制的缺點(diǎn)在于：傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法每次增加或者減少的步長(zhǎng)是一定的。若是步長(zhǎng)過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致工作電壓每次變化范圍過(guò)大，無(wú)法精準(zhǔn)追蹤到最大功率點(diǎn)，會(huì)在最大功率點(diǎn)C處來(lái)回震蕩；若是固定步長(zhǎng)太小，則追蹤速度較慢，影響太陽(yáng)能電池的工作效率。這種方法無(wú)法兼顧快速性與穩(wěn)定性，控制性能較差。

2.3 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法光伏MPPT 的工作原理

傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法由于步長(zhǎng)固定，所以無(wú)法迅速準(zhǔn)確追蹤最大功率點(diǎn)，還容易在最大功率點(diǎn)附近發(fā)生震蕩現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重制約太陽(yáng)能發(fā)的發(fā)電效率。

相對(duì)于擾動(dòng)觀測(cè)法，變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法加入了調(diào)控因子這個(gè)變量。以A點(diǎn)為例，在跟蹤初始階段，調(diào)控因子變大，以一個(gè)較大的步長(zhǎng)提升工作電壓，使其迅速追向最大功率點(diǎn)C點(diǎn)。若是剛好到達(dá)C點(diǎn)，即最大功率輸出點(diǎn)。本次采樣功率等于上次功率，則不進(jìn)行迭代，繼續(xù)使用現(xiàn)在的工作電壓，進(jìn)行功率輸出。若是超出C點(diǎn)后，若是本次采樣功率小于上次功率，調(diào)控因子變小，以一個(gè)較小的步長(zhǎng)降低工作電壓，使其迅速往C點(diǎn)方向偏移，以提升輸出功率。

通過(guò)不斷迭代計(jì)算，使系統(tǒng)可以保持最大功率輸出。這種方法兼顧了其快速性及保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可以提升系統(tǒng)效率，提高能源的利用率。

3 仿真驗(yàn)證

在Matlab 中驗(yàn)證方法正確性。參數(shù)：S=900 W/m2、T=25 ℃，Voc=22.4 V、Vmax=20 V、Isc=4 A，Pmax=80 W。Boost 參數(shù)：L=5 mH、C1=100 μH、C=100 μH，R=30 Ω。

分別用兩種算法在相同工況下仿真，以對(duì)比兩種方法的控制性能。T=25 ℃，S在0.05 s、0.15 s 從1 000 W/m2變換到900 W/m2再突變到1 100 W/m2的波形如圖5 所示。

圖5 S 突變的MPPT 曲線

由圖5 可知：在0～0.05 s 啟動(dòng)時(shí)刻，傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法較變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法達(dá)到MPPT 點(diǎn)的時(shí)間更短，且震蕩更小。在0.05 s 時(shí)，利用仿真軟件，對(duì)光照強(qiáng)度突變后，可以明顯看出，變步長(zhǎng)的擾動(dòng)觀測(cè)法較傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法切換瞬間震蕩小，抗干擾的能力更強(qiáng)。

4 結(jié)論

溫度與光照強(qiáng)度制約太陽(yáng)能電池的工作效率，所以必須進(jìn)行算法控制以提升輸出功率，增加對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。

本文分析太陽(yáng)能發(fā)電的工作原理，講解了光伏特性曲線及MPPT 工作原理，并推導(dǎo)了MPPT 追蹤方法的跟蹤原理，最后，驗(yàn)證了算法的有效性。

隨著MPPT 研究的深入，光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率將會(huì)繼續(xù)提高，太陽(yáng)能發(fā)電也會(huì)扮演更重要的角色，這會(huì)為能源的可持續(xù)發(fā)展作出重要的貢獻(xiàn)。