光伏系统功率扰动改进型MPPT算法研究

杨建勋

(无锡高新技术产业发展股份有限公司，江苏无锡 214000)

光伏系统功率扰动改进型MPPT算法研究

杨建勋

(无锡高新技术产业发展股份有限公司，江苏无锡 214000)

根据光伏电池的特性及影响光伏电池输出功率的主要因素，在比较了常用最大功率跟踪算法的恒定电压法和功率扰动法的原理及优缺点基础上，提出了一种改进型功率扰动最大功率跟踪算法。以求克服传统算法中定步长跟踪带来的无法快速跟踪光照突变，变步长算法中突变初期的扰动过大的问题，并对其有效性进行了仿真验证，具有较强的工程实用价值。

光伏电池;输出特性;最大功率跟踪(MPPT);功率扰动法

光伏电池在工作时，随着日照强度、环境温度的不同，其端电压将发生变化，输出功率也产生很大的变化，故光伏电池本身是一种极不稳定的电源。光伏电池本身的光电转换效率不高，如何能在不同日照、不同温度下输出尽可能多的电能，提高系统的效率，有必要对光伏系统的输出功率进行跟踪控制，即实行最大功率跟踪(冯垛生，2009)。

1 光伏电池特性分析

1.1 光伏电池的等值电路模型

最典型的光伏电池的等值电路如图1所示，电池产生的光电流IPH，并联一个二极管，流过此二极管的电流为暗电流ID，电池的分路电阻RSH，补偿由于内部的PN结缺陷造成的漏电流ISH，其方向与IPH相反。再加串联电阻RS。负载电阻RL上流过电流为IL，一般RS小于1欧，Rsh为几千欧。

1.2 光伏电池的数学模型

用公式表示的光伏电池发电状态的电流方程式为:

式中IPH为光电流，ID为PN结的正向电流;ISH为PN结的漏电流。

用公式表示的光伏电流发电状态的电压方程式:

图1 光伏电池的等值电路Fig.1 The equivalent circuit of PV cells

式中UJ为PN结合部端电压;UL为负载RL两端电压，IL为负载电流。

式中A为与PN结材料特性有关的系数;B为与PN结材料特性有关的系数;k为波尔兹曼常数;T为绝对温度;RSH为考虑PN结缺陷的分路电阻;q为电荷电量(1.602×10－19C)。

1.3 光伏电池的输出特性分析

光伏电池的输出特性受到很多因素的影响，其中最主要的因素是日照强度E和温度T。

日照强度E对伏安特性的影响见图2，只要太阳光谱、组件温度不变，最大功率点所对应的电压值基本上在某一固定值附近，如图2(b)中最大功率点电压值近38 V位置左右。

工作温度T对光伏电池组件伏安特性的影响见图3，由于温度升高，将使电流、电压的额定值略有变化，最大功率点也电压了随温度变化而变化。由图3(b)中可看出，温度在较大的范围内变化时，最大功率的变化相对日照强度而言变化较小，最大功率点电压的变化也不大。当温度由15℃升到90℃时，最大功率由1 020 W左右降到900 W左右。

2 最大功率跟踪算法

由上述P-U特性曲线可知，以最大功率点电压为界，分为曲线的左、右两侧。当光伏电池工作电压大于最大功率点电压UPMAX，即工作在最大功率点电压右侧时，电池输出功率将随电池输出电压的下降而增大;当电池工作电压小于最大功率点电压UPMAX，即工作在最大功率点电压左侧时，电池输出功率将随电池输出电压的下降而减小;最大功率跟踪(MPPT)即通过控制光伏电池端电压，使电池能在各种不同的日照和温度环境下均输出最大功率。

目前在光伏系统中最常见的最大功率跟踪算法有:恒定电压法(CVR)、扰动观察法、增量电导法、滞环比较法、模糊控制法和人工神经网络法等。每种方法都有各自的特点及不足之处，前几种实现较容易但控制精度不高，而后几种成本较高。本文所采用的功率扰动改进型是结合恒定电压法与扰动观察法的优点，从成本考虑的一种较实用的方法。

2.1 恒定电压法(CVR)

由于影响光伏电池最大输出功率的主要因素是日照强度与温度。从图3(b)可看出，温度15℃～90℃，对应最大功率的变化约100 W左右，而温度在短时间内是不可能如此剧烈变化的。当温度由几度变化到十几度时，对应最大功率的变化量非常小。而从图2(b)中可以看出，日照强度变化对最大功率的影响较大，而日照强度有可能短时间剧烈变化，不同日照强度时的最大功率点处的电压值基本在某一固定值附近。这样，只须保持输出电压为某一固定值不变，就基本上可使光伏电池在最大功率点附近工作了。这种方法称为恒定电压法。然而，事实上最大功率点电压UPMAX并非为一定值，所以此法存在一定的误差。

2.2 扰动观测法

基本原理是先给一个扰动输出电压信号(+δU)，再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比，若功率值增加，则表示扰动方向正确，可继续向同一方向扰动(+δU);若扰动后的功率值小于扰动前，则往反方向扰动(－δU)。此方法的最大优点是结构简单，测量参数少，通过不断扰动使输出功率趋于最大;缺点在于初始值及跟踪步长δU的选取对跟踪精度和速度有较大影响。选择步长太大虽能快速接近最大功率点，但可能导致引入扰动输出功率在最大功率点附近来回振荡。选择步长太小则接近最大功率点的时间较长。

2.3 改进扰动法

扰动法存在最大的问题是扰动步长的确定，如何快速跟踪最大功率点及在最大功率点附近来回振荡的问题。许多学者提出了变步长的算法(张建坡等，2009;赵磊等，2009;张超等，2009;张晶，2009)，即对于P-U曲线的不同位置给出根据功率的变化量ΔP来确定不同的步长，当ΔP较大时用大的步长，当ΔP较小时用小步长来进行扰动，这样达到了当工作点偏离最大功率点较远时用大步长以达到快速接近最大功率点、当工作点偏离最大功率点较近时用小步长以提高接近最大功率点精度的目的。这种算法较好地解决了定步长所存在的问题，但要求在控制中增加步长的计算模块，增加了成本和计算时间。

前面讨论了温度的变化所带来最大功率点的变化是在一个比较小的范围内的，可以采用定步长法(确定一个较小的δU)来实现。而从图2(b)中可以看出，日照强度的变化对最大功率的影响较大，日照强度有可能短时间剧烈变化。不同日照强度的最大功率点处的电压值基本保持不变。也就是说当日照强度发生变化时，虽然最大功率点发生较大的变化，但当前的电压值UPMAX与新的最大功率点的电压值U'PMAX非常接近。如果在这位置保持电压不变，则输出功率将发生显著的变化，如图4中由PN变化到PN+1。如按张建坡等(2009)、赵磊等(2009)、张超等(2009)、张晶(2009)中所采用方法，功率变化量ΔP较大则需采用大步长ΔU以快速到达最大功率点，而此时增加一个较大的步长ΔU就会让电压值超过新的最大功率点电压U'PMAX，这样就会引起较大的扰动。

其实，在这种情况下仍可以采用定步长法(确定一个较小的δU)来实现。与文献不同的只是所参考的功率点由PN修正为PN+1，即在电压不变的情况下，如果发现功率变化较大时，则直接以新的功率点为基础来进行定步长的扰动。由图4可知，PN+1点其实已经非常接近于新的最大功率点的位置了，所以仅需较小定步长的扰动就能很快找到新的最大功率点了。省去了一个变步长的计算及由于变步长而可能引起在新的最大功率点附近产生振荡的现象。此方法的工作流程图见图5，如果检测出来功率变化量ΔP小于某一确定值ε时，表明无突变，则采用正常的定步长扰动法;如检测出来功率变化量ΔP大于某一确定值ε时，表明有突变产生，则根据功率的变化是变大还是变小来确定下一步的扰动。如果变大则给原电压增加一个定步长的变量δU，如果功率变小则给原电压减小一个定步长的变量δU，再重新测量功率PN+2，再与PN+1进行比较，这时新的ΔP将小于确定值ε，可进入无突变的正常扰动寻优的程序中。通过增加一个判断ΔP与确定值ε的比较，达到快速切入最大功率点的目的。

3 仿真结果

为了验证算法的可行性，在特定条件下进行了仿真实验。设定光伏电池温度T为25℃，模拟天空云彩对光伏电池的影响。设定在时间t为0.2 s时，光强G由400 W突增至1 000 W，在时间t为0.4 s时，光强G由1000 W突减到600 W。实验结果见(图6)。由图6可以看出，在温度条件不变的情况下，当光照强度突然改变，采用改进后的功率扰动法可以较快地找到最大功率点，如日照光强由弱到强时，电压亦由低到高平稳到达最大功率点电压。且光强的变化量越大则最大功率点电压的变化量相对较大，寻优的时间也会相对长一些。而赵晶(2009)等变步长法则在最初的变化中由于步长较大，会存在一个明显的电压越过最大功率点电压再回落的过程，带来了寻优过程中的振荡。

图6 仿真结果Fig.6 The simulation results

4 结论

本文分析了光伏电池的输出特性，影响光伏电池最大功率输出的主要因素，分析了传统最大功率点跟踪算法的恒定电压法和功率扰动法的优缺点。在此基础上结合影响光伏电池最大功率输出主要因素日照光强及温度的特性，提出了一种实用的改进型功率扰动算法，对因日照强度突变产生最大功率点的跟踪实现快速反应，且避免了变步长法的电压波动过大的现象，此方法省去了变步长的计算模块，虽然相对其它算法来讲精度不能与它们相比，但其算法简单，控制成本较低，具有很强的实用价值。

冯垛生.2009.太阳能发电技术与应用［M］.北京:人民邮电出版社.

张建坡，张红艳，马朝晖.2009.光伏系统变步长最大功率跟踪策略仿真研究［J］.可再生能源，27(5):10-14.

赵磊，陈歆技，闫庆开，等.2009.光伏系统最大功率点追踪的一种改进方法及其仿真［J］.电工电气，(9):30-33.

张超，何湘宁，赵德安，等.2009.光伏发电系统变步长MPPT控制策略研究［J］.电力电子技术，43(10):47-49.

赵晶.2009.基于改进型单纯式加速法变步长MPPT控制算法［J］.现代电子技术，32(10):164-166.

Study on Improved Power Disturbances MPPT Control Algorithm of Photovoltaic System

YANG Jian-xun(Wuxi High-New Technology Industrial Development Co.，Ltd，Wuxi，JS 214000，China)

The output characteristics of PV modules and the key factors controlling PV module’s power output are analyzed.An improved power disturbance based Maximum Power Point Tracking(MPPT)algorithm is given by comparing the pros and cons for the principle of constant voltage algorithm＆power perturbation algorithm.This new algorithm addresses two problems of traditional algorithm，i.e.fast track mutation light and large disturbance during initial phase of variable step algorithm.The effectiveness of the new algorithm is simulated.This should be helpful for future engineering practice.

photovoltaic cells;output characteristics;maximum power point tracking(MPPT);power perturbation

TP391.9

A

1674-3504(2011)04-0396-05

杨建勋.2011.光伏系统功率扰动改进型MPPT算法研究［J］.东华理工大学学报:自然科学版，34(4):396-400.YANG Jian-xun.2011.Study on improved power disturbances MPPT control algorithm of photovoltaic system［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，34(4):396-400.

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.04.016

2011-10-09; 责任编辑:吴志猛

杨建勋(1971—)，男，工程师，主要研究方向电力电子技术。