太阳能最大功率跟踪控制及其仿真

内蒙古电力公司 乌海电业局 武昱彤 武智勇

绿色能源在解决能源问题和减少环境压力方面具有不可替代的作用，世界各国也越来越重视对绿色能源的研究。太阳能作为绿色能源的一种，具有储量丰富、使用安全等优点，是目前技术利用相对成熟的一种可再生能源。然而，受不同地区光照强度和环境温度等因素影响，将太阳能转化为电能的光伏电池的稳定性并不理想。在不同的光照强度和环境温度下，光伏电池的输出功率会有较大波动，这导致整个光伏阵列的输出特性呈现出非线性特征，降低了光伏列阵的电能输出能力。因此，对光伏电池最大输出功率进行跟踪控制，使得光伏阵列在任何日照条件下动能不断获得最大输出功率，以提高系统的工作效率，就显得很有必要。

一、最大功率点（MPPT）跟踪算法

光伏电池的开路电压和短路电流受温度、光照以及负载等因素影响，其输出量随着外界环境的变化而变化。光伏电池的U-I输出曲线和P-V输出曲线表明，即使在特定的温度和光照条件下，光伏电池的最大功率点也不固定，而是不断变化的。为了达到光伏电池在特定温度和光照条件下的最大功率输出，研究人员提出了最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）策略。目前，主流研究MPPT策略的方法主要有实际测量法、扰动观察法、短路电流法等策略。通过比较，本文，笔者选用扰动观测法来实现对最大功率的跟踪控制。

扰动观察法的总体算法思路是：给光伏系统控制器输入一个步长量，通过使用这个较小的步长，改变每个控制周期内的光伏阵列的输出在。因为改变的步长值是固定的，所以干扰周期前后，光伏阵列的输出功率值既可能增加，也可能减小。如果检测到光伏阵列的输出功率增加，就按照上一周期的方向继续“干扰”，如果检测到输出功率减小，就改变“干扰”的方向，反方向继续“干扰”。扰动观察法就是通过不断地加减步长，使得光伏阵列的实际工作点逐渐接近当前最大功率点。但是由于固定步长的存在，在工作点达到最大功率点附近后，就会在最大功率点附近不断振荡。为解决这一问题，笔者在此引入了参考电压VREF，在得出比较结果后，通过调节参考电压，使它逐渐接近最大功率点电压；在调节光伏电池工作点时，要根据这个参考电压进行调节。

二、 一种基于MPPT改进的扰动观察法

虽然研究MPPT策略有很多方法，但目前比较常用的方法是扰动观察法，具有简单易懂、容易实现等优点。但是，传统的扰动观察法存在一个缺点，即光伏系统的工作点只能在光伏阵列最大功率点附近振荡，而这种振荡会产生一定的功率损失。为了弥补这一缺点，笔者对扰动观察法做了进一步优化改进：当系统开始扰动时，在控制器内输入一个合适的步长；当系统不发生扰动错误时，就按照此步长值扰动；一旦扰动方向发生错误，就将某个常数输入到控制器，用初始步长减去这个值，使控制器按照这个新的步长向反方向扰动。当系统每发生扰动错误时，反复改变扰动步长值，直至步长减为0，此时的光伏阵列实际工作点就稳定在最大功率点处。改进的算法流程如图1所示。

图1 改进的扰动观察法的算法控制流程

此外，笔者在MATLAB环境下搭建仿真模型，对比两种方法的实验结果。仿真的时间为1 s，温度为25℃，算法采用变步长ode23 th。当光照强度从0.55 kW/m2跃升为1.0 kW/m2时（在0.1 s时发生突变），对BOOST电路输出功率进行对比。通过实验图形可以看出，当光照强度发生突变时，改进的扰动观察法仅需0.05 s就能达到稳定工作状态，这样能有效减少因振荡现象引起的能量损耗，实现了对光伏阵列最大功率点的快速跟踪和精确控制。

三、结论

本文，笔者基于光伏电池最大功率点跟踪控制技术，对光伏电最大功率点（MPPT）跟踪算法进行了介绍，提出一种经过改进的新型扰动观察法，并通过MATLAB进行了系统仿真型。得到的仿真结果表明，该方法可有效减少传统扰动观察法带来的误判功率损失，从而优化了系统的动态响应速度和稳定度。