光伏发电最大功率跟踪算法的改进

尚冬梅1　刘党军2　柴钰1　白云1　安静宇1　狄常馨1

（1.西安科技大学工程训练中心，陕西 西安 710054；2.国网甘肃省电力公司检修公司，甘肃 兰州 730000）

【摘要】光伏发电系统中提高效率的重要方法之一就是最大功率点跟踪。本文在分析恒压法，扰动观察法的基础上，将两者结合，提出了恒压法结合扰动观察法的思路，并对其进行仿真。有效避免了扰动观察法在最大功率点附近的震荡现象和恒压法控制精度不够高的缺点。

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关键词 Boost电路；最大功率跟踪；恒压法结合扰动观察法

当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题成为制约社会经济发展的瓶颈时，我们开始寻求经济发展的新动力，由于太阳能分布广泛，不受地域限制，可直接开发和利用，不需要开采和运输。无污染，能源巨大等优点无疑成为经济发展的新动力，而太阳能的主要使用方式是光伏发电。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件，有效吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。

1　光伏电池的原理结构及其输出特性

1.1　光伏电池的原理结构

光伏电池是能量转换的器件，有光照时，光伏电池吸收光能，电池两端出现正负电荷的累积，即“光生伏特效应”，使得光伏电池的两端产生电动势，将光能转换成电能。光伏电池的基本特性类似于二极管。具有适当能量的光子入射于半导体时，光与半导体相互作用产生电子和空穴，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式相比，没有噪声也不排出废气，是清洁的发电方式。

1.2　光伏电池的输出特性

光伏电池的伏瓦特性曲线受光强和温度的影响很大，不同温度和光强下的最大功率点也不相同，光强越强，光伏电池输出的功率也就越大，温度则相反，温度越高，输出功率反而降低，但是幅度不是很大。由于一天中光强和温度都在不断的变化之中，为了使光伏电池在任何温度和光照下都能实现最大功率输出，就需要加入最大功率跟踪控制器。

2　光伏阵列MPPT控制方法

光伏阵列对整个太阳能光伏发电系统起着很重要的作用，是电能的来源。光伏阵列的输出功率受光照强度和温度等因素的影响，是非线性的。而且，输出功率也会随着负载变化，只有当两者实现阻抗匹配时，光伏阵列才能输出最大功率，这时的工作点称为光伏阵列的最大功率点 (Max Power Point，MPP)。根据外部环境参数和负载的不同来调节光伏阵列，使其输出最大功率，这个调节过程叫做最大功率点跟踪 (Max Power Point Tracking， MPPT)。本文分析了恒定电压法，扰动观察法存在的缺点，提出了恒压法结合扰动观察法，并进行了仿真研究。

2.1　恒定电压法

恒定电压 (Constant Volitage)法，光伏阵列在最大功率输出点时的工作电压，与开路电压存在近似的比例关系。利用这个特性进行控制的最大功率跟踪控制法，即恒定电压法。

当忽略温度影响时，针对光照强度这一因素的影响，其输出特性曲线的最大功率点几乎分布于一条垂直线L的两侧，这说明太阳能电池输出的最大功率点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统MPPT的控制设计，即人们仅需从生产厂商处获得Um数据并使太阳能电池的输出电压钳位于Um值即可，实际上是把MPPT控制简化为稳压控制，这就构成了CVT式的MPPT控制。

2.2　扰动观察法

不断给光伏电池的输出电压或输出电流施加微小的扰动，并判断每施加一次扰动后功率的变化方向，从而确定下一时刻电压扰动量的大小（步长）和方向。在进行寻优搜索的程序流程中引入了一个参考电压Uref ，为了让U不断地跟踪Uref ，在寻优过程中不断地更新，使Uref逐渐逼近相应于阵列最大功率点的电压。

扰动观察法不能迅速跟踪最大功率点，输出功率在最大功率点附近发生振荡，还会出现误判现象，且不能迅速跟踪最大功率点。

2.3　恒压法结合扰动观察法

恒压法只能保证光伏电池工作在最大功率点附近，扰动观察法在最大功率点附近有振荡现象，所以当外界环境或负载发生突变时，由恒压法实现最大功率跟踪，当系统实现恒压法控制的目标后，在最大功率点附近采用扰动观察法。步长可远小于传统扰动观察法中的扰动步长，在稳态时可有效减小系统在最大功率点附近的振荡现象。流程图如图1。

系统在k时刻光伏阵列的输出电压及输出电流分别为K和I，根据光伏阵裂的输出电压判断系统的工作状态:①如果光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压士△V之外，执行恒压控制算法;②光伏阵列的输出电压在恒压控制算法设定的电压士△v之内，进行小步长的扰动观察法;③修改恒压控制算法设定的电压为K。该过程不断重复直到△p近似等于零，此时系统工作在最大功率点。

图1　恒压法结合扰动观察法流程图

3　基于MATLAB/SIMULINK的MPPT算法的仿真分析

为了验证所提方法的有效性，分别对扰动观察法与恒压法和扰动观察法相结合法进行了仿真验证，仿真对象为上面提到的太阳能电池板，标准环境参数下的检测值分别为Isc=1.02A，Voc=23.77V，Im=0.83A，Vm=16.89V。使用扰动观察法，恒压法结合扰动观察法进行最大功率跟踪。由光伏电池的输出电压、实时温度值、光照强度、短路电流等参数计算出光伏电池的输出电流，并假定负载为恒压源负载，光伏电池和负载都用Boost电路进行最大功率跟踪。下图为光强度恒定为1000W/S2同时温度为25℃时的输出波形。

可见虽然两种方法都能实现最大功率点的追踪，扰动观察法输出功率虽然稳定一个小范围之内，但是振荡严重，能量损失较大，且出现了误判现象。而恒压法结合扰动观察法有效地减少了最大功率附近的振荡，并能迅速实现最大功率的追踪。

4　结论

本文使用MATLAB/SIMULIK对光伏电池建模仿真，得到其输出特性，证明光伏电池的存在最大功率点。在深入了解各种最大功率算法的优缺点基础上，提出改进方案，即将恒压法和扰动观察法相结合，并通过MATLAB仿真，验证了所提方案有效的提高了光伏电池的效率。

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［责任编辑：薛俊歌］