遇环境剧变干扰的改进型最大功率点跟踪实验

董 密，杨 建，于晶荣

（中南大学信息科学与工程学院，长沙 410083）

进入21世纪以来，优化能源结构、提高能源效率、发展新能源和可再生能源已成为世界各国可持续发展的关键。太阳能以其无噪声、无污染、能量随处可得等优点越来越受到重视。但由于太阳能发电成本较高，近年来，研究者主要致力于提高光伏系统稳定性和转化效率、降低成本的研究［1，2］。

由于光伏模块的输出电压和输出电流随着日照强度和环境温度的变化具有强烈的非线性，因此在特定的工作环境下存在着唯一的最大功率输出点MPP（maximum power point）。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，为了在同样的日照强度和环境温度下，提高光伏发电系统的整体效率，获得尽可能多的电能，一个重要的途径就是实时调整光伏模块的工作点，使之始终工作在MPP附近，这一过程就为最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）［3，4］。

因此，为了提高光伏系统的效率，研究者提出了多种MPPT控制算法［5～9］，其控制方法多样，控制效果不尽相同，实现过程也大有区别。各种控制方法分为间接近似控制法、直接采样控制法以及人工智能控制法3大类。间接控制法主要有曲线拟合法、查表法等；直接采样控制法主要有干扰观测（P＆Q）法［10］、电导增量（IncCond）法［11］等；人工智能控制法主要有模糊控制法、神经网络控制法等［12］。其中P＆Q法和IncCond法的应用最为广泛。根据文献［12］，在控制精度要求不是特别高的情况下，采用P＆Q法进行MPPT控制足以满足控制精度，又相对节约硬件投入；但在需要高性能控制场合，多采用IncCond法以及各种优化方法等。

IncCond法的优点是能减小跟踪的稳态振荡，提高跟踪精度。然而由于噪声、测量误差和数字控制量化误差的影响，IncCond法也无法避免最大功率点附近的振荡。文献［13］提出了一种零均值IncCond跟踪算法，它是基于一个周期内d PPV／d VPV＝0，这种积分相当于滤波作用，有效地抑制了噪声和测量误差，减小了跟踪算法在MPP附近的振荡。然而在外界环境变化剧烈或突变时，以及光伏模块部分遮挡时，以上方法也无法及时有效地跟踪到全局最大功率点［14］。

因此，本文针对外界光照强度或温度突变，以及光伏模块部分遮挡干扰时，提出了一种改进的电导增量MPPT控制算法。它能在外界环境剧烈变化时，有效地跟踪MPP，提高MPPT控制的稳态性能，可以广泛地应用于实际光伏系统中。仿真及实验结果证明了改进型电导增量MPPT控制算法的高适应性、鲁棒性和有效性。

1 电导增量MPPT算法

1.1 传统电导增量MPPT算法

在不同光照强度和环境温度下，光伏模块的输出电流－电压（I－V）以及功率－电压（P－V）具有非线性特性，其关系如图1所示，其电流－电压输出模型可表示［15］为

式中：IPV和VPV分别为光伏模块的输出电流和输出电压；Iph为光生电流；Isat为光伏模块内部等效二极管的P－N结反向饱和电流；A为P－N结的曲线系数；K为玻耳兹曼常数；T为绝对温度；q为电子电荷。

图1 光伏模块输出功率－电压和输出电流－电压特性Fig.1 Typical P－V and I－V characteristics of a PV array

传统IncCond法的数学模型为

它是通过比较光伏模块的电导和瞬间电导来改变控制信号；IncCond法控制精度精确，响应速度比较快，在温度和／或光照强度发生变化时，输出电压能以平稳的方式跟踪其变化，并且稳态振荡也比扰动观测法小。

通常光伏发电系统及最大功率点跟踪控制器如图2所示。而光伏模块在MPPT控制下，一般工作在3种状态。

（1）当式（2）满足时，光伏模块工作在MPP，给定的参考输出功率PREF不变；

（2）当公式满足

时，光伏模块如同电压源，需增加给定的参考输出功率PREF，以达到MPP；

（3）当公式满足

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时，光伏模块如同电流源，需减小给定的参考输出功率PREF，以实现MPP。

图2 光伏发电系统Fig.2 PV system structure

因此MPPT控制算法的本质为根据MPP处电压，调节光伏模块的实际操作电压：当光伏模块的操作电压比MPP电压大时，MPPT控制器将增加系统的输出功率以减小操作电压，即电容CPV上的电压降低；相反如果光伏模块的操作电压比MPP电压小时，MPPT控制器将减小系统的输出功率以提高操作电压。但是，如果系统工作在后者情况下，即VPV＜VMPP时，而外界光照强度此时突然变弱，这时按照MPPT控制算法，减小给定的参考输出电压Vref后，系统的输出功率仍然比实际光伏模块的输出功率大，则将进一步降低输出电压，直到VPV＝0，系统将被钳制在无功率输出状态。为了避免外界环境突变时，以上情况发生，本文提出了改进型电导增量MPPT法。

1.2 改进型电导增量MPPT法

如图3所示，可以观察到：无论外界光照强度或环境如何变化，光伏模块的输出电压和输出功率的变化成正比，既在光照度增强或减弱的变化边缘，d PPV／d VPV总是大于零。而在电导增量MPPT算法中，如图1所示，d PPV／d VPV的符号是判断控制流程的重要标准。基于式（2），光照度突变时，d VPV／d IPV＞0。而根据光伏模块的实际测量发现，改变控制电压时，如图1的I－V特性，d VPV／d IPV＜0。因此可以增加d VPV／d IPV的符号判据，以确定因为控制量变化还是外界环境变化而引起d PPV／d VPV的变化。如果是外界环境突变导致d PPV／d VPV变化，此时可以视d VPV／d IPV为无用的“电阻”，只根据上一次MPP电压，确定下一步工作电压变化方向。

图3 光伏模块随光照强度变化曲线Fig.3 Relationship between PV model and insolation

综上所述，改进型电导增量MPPT控制算法流程如图4所示。

图4 改进的电导增量MPPT控制算法流程Fig.4 Flow chart for the improved IncCond MPPT control algorithm

2 仿真结果分析

为了证明本文提出的电导增量MPPT控制法的有效性，采用Matlab建立了光伏发电系统仿真模型，并对此改进型电导增量法和传统电导增量法的仿真结果进行了比较。

在Matlab中建立一个稳态最大输出功率5 W，开路电压为25 V的光伏模块，采用如图2所示的电路进行MPPT控制，蓄电池内电阻为20Ω。开始时，系统稳态运行，在100 ms时，外界光照强度剧烈变化，直到400 ms时恢复正常。采用传统电导增量法和改进型电导增量MPPT方法的仿真结果分别如图5和图6所示。

而改进型电导增量MPPT法，由于加入了无用“电阻”的判据，当外界光照强度剧烈变化时，可以分析出环境的变化，继续有效的控制算法；当外界环境变化恢复正常后，既能继续跟踪光伏模块的最大功率点。

图5 光照度剧烈变化时传统电导增量MPPT仿真结果Fig.5 Incremental conductance MPPT performance under rapidly changing insolation

图6 光照度剧烈变化时改进型电导增量MPPT仿真结果Fig.6 Enhancement Incremental conductance MPPT performance under rapidly changing insolation

3 实验分析

建立200 W光伏发电系统实验装置。由光伏模块HIP－200BA3提供电能，经升压转换器进行最大功率点跟踪，并将电能存储在蓄电池中。所有的控制算法，包括所提出的改进型电导增量MPPT控制算法在单片微控制器dsPIC30F3011中完成，通过微控制器的10位A／D转换器对光伏电压和电流进行采样。电压和电流控制周期为100μs，最大功率点跟踪控制周期为50 ms。升压直流转换器开关频率为20 k Hz，外界光照强度在2～8 s剧烈变化时，光伏模块在改进型电导增量MPPT控制下的输出电压和输出电流实验结果见图7。

图7 所提出的电导增量MPPT算法实验测量结果Fig.7 Measured results for the proposed MPPT algorithm

学生实验得到，改进型电导增量MPPT控制算法的实验结果与仿真结果一致。最后，对所提出的改进型电导增量MPPT控制方法的效率进行了分析，其跟踪效率如图8所示。在外界干扰的环境下，改进型电导增量MPPT控制方法的效率基本能达到98.3%，具有很好的跟踪效果和强鲁棒性。

图8 改进型电导增量MPPT控制效率Fig.8 Efficiency of the proposed MPPT algorithm

4 结语

在光伏发电系统中，提高MPPT控制策略是一种有效提高整个系统效率的方法。而在外界环境、光照强度剧烈变化时，传统的光伏模块最大功率点跟踪方法不能实现很好的跟踪效果。特别是传统的电导增量MPPT控制方法，外界光照强度剧烈变化时将无法正确判别操作电压的方向，致使输出功率一直拉低到零点。在本文提出了一种改进型电导增量MPPT控制方法，可以通过判断d VPV／d IPV和d PPV／d VPV的方向确定外界环境状态，方法简单易于实现，且具有较强的鲁棒性，因此可以被广泛地应用。Matlab仿真分析可以得出，传统的电导增量MPPT方法在外界光照强度剧烈变化时，不能跟踪到MPP点，而使输出功率降到零；改进型电导增量法则有效地避免了这一情况的产生。最后，建立了200 W光伏并网发电系统实验装置，学生通过一系列实验再次证明，在变化的环境下，所提出的改进型电导增量MPPT控制策略都具有高鲁棒性，其控制精度约为98.3%。

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