扰动观察法的MPPT负载突变误判现象研究

王春圣

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌， 330013）

扰动观察法的MPPT负载突变误判现象研究

王春圣

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌， 330013）

在光伏系统中，Boost电路常常作为前级电路，使其工作在最大功率点处，以向后级电路传输最大的能量。然而在系统运行过程中，由于后级电路在调整过程中以及到达稳态后负载的加载、掉载等原因，会造成后级电路等效输入电阻（前级电路输出电阻）发生变化。因此可能会造成前级Boost电路功率点比较发生错误，从而发生误判现象。针对前级电路在应用扰动观察法做MPPT时，负载突变对电路误判的影响，对电路从开始调整到电路稳态后的全过程中的误判现象做了理论分析和总结。最后搭建了Boost实验电路验证了分析的正确性。

Boost电路；最大功率点跟踪；扰动观察法；负载突变

常用的光伏阵列的最大功率点跟踪（max power point tracking，MPPT）算法包括固定电压或电流跟踪法［1］、扰动观察法和导纳增量法［2-3］等，其中扰动观察法由于算法简洁、容易实现、与光伏阵列的电气特性参数无关和跟踪效率高的特点得到了广泛应用。常规的实现方法是给光伏电池的输出电压一个扰动，通过判断扰动方向和功率方向使电路最终工作在最大功率点。

近年来，虽有不少学者对扰动观察法进行了一些改进，提出了一些新的方法，如变步长的扰动观察法［4］，根据斜率调整的扰动观察法［5］，定电压启动与扰动观察法结合的方法［6-7］等。但它们本质还是扰动观察法，因此也会存在上述问题。前级电路在做MPPT时，由于前级电路负载发生变化而引起的电路功率点比较误判现象尚无人研究。本文即以Boost电路为例，对应用扰动观察法做MPPT时，电路负载发生突变对MPPT的误判现象进行了理论分析，并把电路运行过程中可能会发生的误判做了全面总结。最后用DSP作为控制芯片，搭建了Boost实验电路，并验证了理论分析的正确性。

1 原理与推导

1.1 Boost电路最大功率点的求解

Boost电路结构如图1所示，其中US相当于光伏输入电压，Uin相当于光伏输出电压，Rin为输入电阻，R0为输出电阻（相当于后级电路等效输入电阻），L为主电路电感，Q为开关管，DR为二极管，Co为输出滤波电容。

假定电路中各个器件均为理想器件，依据输入功率等于输出功率的原理，由电路可得如下公式。

图1 Boost电路MPPT结构Fig.1 MPPT structure of Boost circuit

1.2 不同负载R下各曲线交点处D值的求解

不同负载下功率与占空比关系的仿真波形如图2所示，其中D为占空比，P为输入功率。R1，R0，R2分别为不同负载下的电阻值。其中R1＞R0＞R2，R0曲线为系统初始工作负载，系统由R0曲线到R2曲线为负载增大，系统由R0曲线到R1曲线为负载减小。根据图2曲线中D1，D2，D3点，可将其划分为3个区间。分别为 1，2，3区间。

下面以图2中D2点为例对D进行求解。根据（1）（2）式推导可知：

图2 不同负载时的功率与占空比关系波形Fig.2 Relationship waveform of power and duty cycle in different load

2 负载突变误判现象分析

2.1 稳态前负载突变引起的误判分析

以系统运行在1区间为例，对在此区间上发生的负载突变（增大或减小）是否会发生误判进行分析。如图2所示，1区间时：假设某时刻功率为P0，由于占空比D的扰动方向是一直增大的，故在此功率P0后一时刻D继续增大。若此时负载由R0突变到R1，则当前拍功率P1小于P0，则下一时刻D将减小以使功率增大，但这正与R1的功率调整方向相反，故会有一拍的误判进行调整。

若此时负载由R0突变到R2，则当前拍功率P1大于P0，则下一时刻D将续增大以使功率增大，这与R2的功率调整方向相同，系统不会发生误判。系统运行在各个区间时的误判现象如表1所示。

表1 稳态前负载突变引起的误判Tab.1 Misjudgment resulted from load mutation before the steady state

2.2 系统进入稳态后负载突变引起的误判分析

系统进入稳态后示意图如图3所示，进入稳态后D的变化将从Ⅰ时刻到Ⅱ时刻，再到Ⅲ时刻，再到Ⅳ时刻，再到Ⅴ时刻，并在这5个点循环运动，其中Ⅱ时刻和Ⅳ时刻为最大功率点，Ⅴ时刻和Ⅰ时刻是功率相同的时刻。此图反应了进入稳态后，电路在最大功率点附近来回扰动，这正是传统扰动观察法的特点。

系统进入稳态后，负载突变引起的误判分析方法同稳态前负载突变引起的误判分析相同，在此不再赘述。表2总结了系统进入稳态后运行在各个时刻时的误判现象。

图3 稳态后功率点变化示意图Fig.3 Power point variation diagram after the steady state

表2 进入稳态后负载突变引起的误判Tab.2 Misjudgment resulted from load mutation in the steady state

3 算法流程及波形

在做MPPT时，采用直接扰动占空比的方法，即先给一个初始增加的占空比扰动，通过检测电路输出功率的变化来判断占空比扰动方向是否正确，使电路最终工作在最大功率点附近。具体的程序流程如图4所示。

Uin扰动的实际波形如图5所示，其中横坐标为时间，单位为100 ms/格；纵坐标为Uin幅值，单位为2 V/格。从图中可清楚地看出Uin从开始扰动到稳定的整个调整过程，以及系统进入稳态后Uin的扰动情况。图5还标出了与图2中3个区间以及图3中5个时刻的对应关系。

图4 MPPT算法流程Fig.4 MPPT algorithm flow

4 实验验证

图5 Uin扰动实际波形图Fig.5 Uinperturbation actual waveform graph

根据上述分析，以DSP为控制芯片设计了Boost最大功率跟踪实验电路。电路中主要参数为输入电压20 V，开关管频率为40 kHz，输入电阻为1 Ω，主电路电感值为1 000 uH，滤波电容2 200 uF，输出稳压电容470 uF，二极管用NF835。控制芯片采用TI公司的DSP（TMS320F2812）芯片。为了使实验结果明显以便于观察，实验时所取D的扰动量大小为0.05。输出电阻R0为4 Ω，R2为2 Ω，R1为8 Ω。其中纵坐标单位为2 V/格，横坐标为时间，单位为100 ms/格。受篇幅所限，只给出稳态前负载突变引起的误判实验波形，如图6～图8。

图6 1区间负载突变波形Fig.6 Interval 1 load mutation waveform

图7 2区间负载突变波形Fig.7 Interval 2 load mutation waveform

5 结论

图8 3区间负载突变波形Fig.8 Interval 3 load mutation waveform

应用扰动观察法做MPPT时，对由于前级电路负载突变引起的系统可能发生的误判现象进行了理论分析，并对所有可能发生的误判进行了详细总结。最后用Boost电路进行了实验验证，实验结果与前面的理论分析完全一致，从而证明了理论分析的正确性。

［1］ XIAO WEIDONG，DUNFORD W G.A modified adaptive hill climbing MPPT method for photovoltaic power systems［C］//Power Electronics Specialists Conference，2004 PESC IEEE 35thAnnual，Canada：UBC CIRCLE，2004：1957-1963.

［2］FEMIA N，PETRONE G，SPAGNUOLO G，et al.Optimizing sampling rate of P&O MPPT technique［C］//Power Electronics Specialists Conference，PESC IEEE 35thAnnual，Canada：UBC CIRCLE，2004：1945-1949.

［3］王飞，余世杰，苏建徽，等.太阳能光伏并网发电系统研究［J］.电工技术学报，2005，20（5）：72-74，91.

［4］朱铭炼，李臣松，陈新，等.一种应用于光伏系统MPPT的变步长扰动观察法［J］.电力电子技术，2010，44（1）20-22.

［5］徐鹏威，刘飞，刘邦银，等.几种光伏系统MPPT方法的分析比较及改进［J］.电力电子技术，2007，41（5）3-5.

［6］ JUNG YOUNGSEOK，SO JUNGHUN，YU GWONJONH，et al.Improved perturbation and observation method（P&O）of MPPT control for photovoltaic power systems［C］//Photovoltaic Specialists Conference，2005 Conference Record of the Thirty-first IEEE，Southkorea：Computing Literature，2005：1788-1791.

［7］郭会娜，黄洪全.扰动观察法与滞环比较法实现MPPT的比较分析［J］.电力电子技术，2008，44（1）20-22.

［8］赵为.太阳能光伏并网发电系统的研究［D］.合肥：合肥工业大学，2003.

On Misjudgment Phenomenon of MPPT Load Mutation Based on Perturbation and Observation Method

Wang Chungsheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In the photovoltaic system，Boost circuit acts as a preceding circuit to transmit maximum energy to backward circuit，achieving maximum power point.However，in the system operation，loading and off load in backward circuit adjustment may cause changes in equivalent input resistance.As a result，there will be something wrong with preceding Boost circuit power point，which may lead to misjudgment phenomenon.The paper focuses on effect of load mutation on circuit misjudgment when perturbation and observation method is applied to make MPPT.Misjudgment of the whole circuit process from adjusting to circuit steady state is analyzed and summarized.Finally，Boost circuit is established to verify its correctness。

Boost circuit；maximum power point tracking；perturbation and observation method；mutational load

TM464

A

1005-0523（2012）03-0083-05

2012-04-12

国家自然科学基金项目（51067004）；江西省科技支撑计划重点项目（2010BGA02000）

王春圣（1986－），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。