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徐高晶1，陳婷2，徐韜1
（1，國網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞智源電氣技術(shù)有限公司，南京 210009；2，南京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)院，南京 210009）
摘要：針對以往光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能最大功率點跟蹤（Maximun Power Point Tracking,MPPT）算法的跟蹤速度及精確度不理想的特點，提出了一種新穎的變步長滯環(huán)比較法，對傳統(tǒng)擾動觀測法存在的速度和精度的矛盾進行優(yōu)化。在Matlab/Similink下進行系統(tǒng)的建模與仿真，并進行實驗分析。結(jié)果表明，該方法能夠顯著提高MPPT跟蹤的速度和精度。
關(guān)鍵字：最大功率點跟蹤 速度 精度 變步長
中圖分類號：TK519 文獻標(biāo)識碼：A
The research of MPPT algorithm based on the method of
variable step hysteresis comparative
XU Gao-jing1, CHEN Ting 2, XUTao1
(1,Smart Power Techonology CO.,Ltd NARI Group Company SGEPRI, NanJing 210009;2,College Of Electronics and Information Engineering, NanJing University of Technology, NanJing 210009,)
Abstract: For the characteristics of unsatifactory of solar photovoltaic power generation system for the past, the maximum power point tracking (Maximun Power Point Tracking, MPPT) algorithm to track the speed and accuracy.It proposed a novel variable step hysteresis method to optimize the contradictions of the speed and precision of the existence traditional methods.Make modeling and simulation, and experimental analysis in Matlab / Similink system.The results show that the method can significantly improve the speed and precision of MPPT tracking.
Keyword: MPPT speed accuracy variable step
隨著社會的發(fā)展，能源和環(huán)境成為人們面對的緊要問題。太陽能作為一種廣泛分布的清潔可再生能源有很好的應(yīng)用前景[1]，其中太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了大量研究和應(yīng)用，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境如輻照度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外部環(huán)境下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點（Maximun Power Point,MPP）上。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能[2]。
目前常用的實現(xiàn)MPPT的方法有導(dǎo)納增量法、擾動觀測法等。導(dǎo)納增量法是利用光伏電池在MPP處輸出功率對電壓的導(dǎo)納為零來跟蹤MPP，該方法控制效果好，控制穩(wěn)定度較高，但是控制算法復(fù)雜，對采樣的精確度要求很高[3]。擾動觀測法是根據(jù)光伏電池的輸出功率的變化趨勢來擾動光伏電池的輸出電壓，使光伏電池最終工作于最大功率點。但振蕩和誤判問題的存在，使系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點，造成了能量損失[2]。
綜上所述，以傳統(tǒng)擾動觀測法為基礎(chǔ)提出的變步長滯環(huán)比較法不但在克服最大功率點跟蹤過程中的振蕩和誤判方面均有較好的性能，且能兼顧到速度和精度的要求，更加準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點，從而提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。
2光伏電池特性分析
2.1光伏電池的等效電路
光伏電池實際上就是一個大面積平面二極管，可以用圖1的單二極管等效電路來描述。圖中RL是光伏電池的外接負(fù)載，負(fù)載電壓（亦即光伏電池的輸出電壓）為UL，負(fù)載電流為IL。
由圖1，可得負(fù)載電流IL為
圖1 光伏電池的等效電路
式中：ISC為光子在光伏電池中激發(fā)的電流；IDO為光伏電池在無光照時的飽和電流；q為電子的電荷，1.6×10-19C；RS為串聯(lián)電阻(由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間電阻所組成)； A為一個常數(shù)因子（正偏電壓大時A值為1）；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K; Rsh為并聯(lián)電阻（有硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的）。
2.2光伏電池數(shù)學(xué)模型及輸出特性
一般光伏電池，串聯(lián)電阻Rs很小，并聯(lián)電阻Rsh很大，在進行理想電路計算時可忽略不計，理想光伏電池的特性為：
設(shè)在參考條件下，Isc為其短路電流，Uoc為其開路電壓，Im,Um為最大功率點電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列的電壓為Vpv時，其對應(yīng)的電流為Ipv,
根據(jù)光電池廠提供的Im,Um,Isc,Uoc等參數(shù)就可以確定該光伏電池的輸出特性，但是由于廠商提供的這些參數(shù)一般是在標(biāo)準(zhǔn)溫度（Tref =25℃）和標(biāo)準(zhǔn)日照功率（Sref =1000W/m2）下的測試結(jié)果，在實際應(yīng)用中還需要進行補償[4] ,可以根據(jù) [2] 得到：
基于式(3)，我們使用Matlab搭建了光伏電池的仿真模型如圖2所示。參數(shù)為：電流變化溫度系數(shù)a=0.015Amps/℃,電壓變化溫度系數(shù)b=0.700V/℃,
圖2 光伏陣列Matlab仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)
封裝后的PV模塊如下：
圖3 光伏陣列Matlab仿真模型封裝 模擬光照強度從1000W/m 2遞變到200W/m 2時系統(tǒng)的輸出性能，如圖4所示。
圖4給定光照曲線下光伏陣列的輸出特性
由圖可知，光伏器件輸出功率Ppv與輸出電壓Upv,電流Ipv呈非線性關(guān)系，在不同的環(huán)境即溫度，日照強度下，光伏器件存在唯一最大輸出功率點。當(dāng)光伏器件置于室外環(huán)境時，由于外部環(huán)境不斷改變光伏器件最大功率也隨之改變。
3 變步長滯環(huán)比較法實現(xiàn)最大功率點跟蹤技術(shù)
工作點到達最大功率點附近時，對于定步長的擾動方式，會出現(xiàn)工作點跨過最大功率點的情形，但改變擾動方向后，工作點電壓與最大功率點電壓的差值還是小于步長，無法達到最大功率點，這種由于擾動步長一定所導(dǎo)致的工作點在最大功率點兩側(cè)往復(fù)運動的情形，就是擾動觀測法的振蕩現(xiàn)象。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，光伏電池的輸出功率特性曲線也發(fā)生變化，會出現(xiàn)一段時間內(nèi)工作點序列位于不同的Ppv-Upv特性曲線上的情形。此時對于不同的Ppv-Upv特性曲線上的工作點繼續(xù)使用針對于固定特性曲線的判據(jù)，就會出現(xiàn)擾動方向與實際功率變化趨勢相反的情形，就是擾動觀測法的誤判現(xiàn)象。
3.1變步長滯環(huán)比較法原理
從控制角度而言，抑制振蕩可以采用具有非線性特性的滯環(huán)控制策略，針對光伏電池的Ppv-Upv特性，其滯環(huán)控制環(huán)節(jié)如圖5所示。
圖5滯環(huán)技術(shù)示意圖
當(dāng)功率在所設(shè)的滯環(huán)內(nèi)出現(xiàn)波動時，光伏電池的工作點電壓保持不變，只有當(dāng)功率的波動量超出所設(shè)的滯環(huán)時，才按照一定的規(guī)律改變工作點電壓。可見滯環(huán)的引入，可以有效地抑制擾動觀測法的振蕩現(xiàn)象。實際上可以將誤判看成是外部環(huán)境發(fā)生變化時的一種動態(tài)的振蕩過程，因此該方法也可以克服擾動觀測法的誤判現(xiàn)象。
3.2系統(tǒng)功能的實現(xiàn) 雖然滯環(huán)比較法可以較大程度地避免振蕩和誤判現(xiàn)象，但如果步長過大，工作點可能會停在離最大功率點較遠的區(qū)域，如果步長過小，在新一輪開始搜索時，工作點會在遠離最大功率點區(qū)域內(nèi)長時間地搜索，因此速度和精度的矛盾依然存在，采用變步長的滯環(huán)比較法便可以解決這一矛盾，具體流程圖如圖6。
圖6變步長滯環(huán)比較法流程圖
其原理如下:
在太陽能電池P-V特性曲線頂點附近從左至右依次取C,A,B三點,設(shè)變化標(biāo)志m,擾動量為n,P C,P A,P B對應(yīng)于A,B,C三點的功率,規(guī)定當(dāng)P B≥P A時,m=1, P B<P A時,m=-1;當(dāng)P A≥ P C時,m=1,當(dāng)P A<P C時,m=-1。這樣根據(jù)m的值就可以做出擾動方向的判斷: (1).m=2,PB≥PA&PA≥PC,增加擾動量，增加步長，令n=2n;
(2).m=0,P C<P A& P B>P A,達到最大點; (3).m=-2,P B<P A&P A<P C,減小擾動量減小步長，令n=n/2; 4 實驗結(jié)果分析 為了驗證所提出方法的正確性，把MPPT控制系統(tǒng)串入Boost變換器電路中，在Matlab/Simulink仿真軟件下搭建的仿真模型中，編寫S函數(shù)作為MPPT的控制模塊，對光伏電池的最大功率點進行跟蹤，MPPT的仿真模型如圖7所示。為了形成對比，對采用擾動觀測法和變步長的滯環(huán)比較法MPPT控制方法進行了仿真
圖7 光伏并網(wǎng)Matlab仿真模型 根據(jù)圖7的光伏系統(tǒng)仿真模型，分別在MPPT模塊應(yīng)用擾動觀察法和變步長的滯環(huán)比較法對外界條件變化后的某一瞬間進行仿真，如圖8,圖9所示。由圖8可以看出擾動觀察法在0.004s左右即可達到最大功率點，波形在往后的范圍內(nèi)處于震蕩較明顯的情況。而圖9的變滯環(huán)比較法在0.00025s處即已達到最大功率點且波動比較小，說明變步長的滯環(huán)比較法的確在原來擾動觀察法的基礎(chǔ)上無論是從精度還是速度方面都有了一定程度的改進，從而提高了光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。
圖8 基于擾動觀察法的光伏電池
輸出功率仿真波形圖
圖9 基于變步長的滯環(huán)比較法的光伏電
池輸出功率仿真波形圖
5 結(jié)論
本文對光伏電池特性進行了詳細(xì)的分析，針對光伏系統(tǒng)的最大功率點跟蹤問題進行了研究，提出了基于擾動觀察法的變步長滯環(huán)比較法。變步長的滯環(huán)比較法的最大優(yōu)點是通過雙向擾動確認(rèn)的方法來保證擾動觀測法的動作可靠性，以避免誤判的發(fā)生，同時在搜索過程中不斷調(diào)整搜索的步長，也有效的抑制了最大功率點附近的振蕩。仿真結(jié)果表明，該算法具有很好的跟蹤速度和精度，是一種比較理想的控制方法，但是穩(wěn)定性方面還需要改進。
6 參考文獻
[1]朱銘煉，李臣松，陳新等.一種應(yīng)用與官府系統(tǒng)MPPT的變步長擾動觀察法[J].電力電子技術(shù)，2010,44(1):20-22.
[2]張興，曹仁賢.太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電及其逆變控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2011.1.
[3]張超，何湘寧．短路電流結(jié)合擾動觀察法在光伏發(fā)電最大功率點跟蹤控制中的應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報，2006,26(20):98-102.
[4]張建坡，張紅艷，王濤等．光伏系統(tǒng)中最大功率跟蹤算法仿真研究[J].計算機仿真，2010,1(27):266-269.
[5]張超，何湘寧，趙德安．光伏發(fā)電系統(tǒng)變步長MPPT控制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2009,10(43):47-49.
作者簡介：
[1]徐高晶（1982-），男（漢族），江蘇啟東人，碩士，南京理工大學(xué)，電力工程師（中級）從事電力電子，電源，逆變器等相關(guān)研發(fā)工作。
[2]陳婷（1986-），女（漢族），河南駐馬店人，碩士，南京工業(yè)大學(xué)，在讀，研究方向為電力系統(tǒng)自動化。
[1]徐韜（1980-）男（漢族），江蘇南京人，本科，電力工程師（初級）從事電源系統(tǒng)控制，監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)工作。
聯(lián)系人：徐高晶
電話： 15250997872
Email: chenting2009@163.com 詳細(xì)通信地址：南京市中央路258號江南大廈5樓
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