基于改进电导增量法的光伏发电系统MPPT控制研究

肖俊明，贾良宝，余义华，张文泰，侯丽红

（中原工学院，郑州450007）

如何充分发挥光伏电池的效能，成为当今人们研究的焦点，通常采用的方法是在光伏器件和负载之间串联最大功率点跟踪 （MPPT）电路［1］.MPPT常用的控制方法有扰动观察法、电导增量法、滞环比较法、模糊逻辑控制法、固定参数法（如开路电压法、短路电流法）等［2］.固定参数法是指在外界环境温度一定时，利用最大功率点处的工作电压为一恒定值对MPPT进行控制的方法.该方法容易实现，但只能近似跟踪.电导增量法是对扰动观察法的改进，可以消除扰动观察法在最大功率点附近的功率振荡现象.此方法虽优于扰动观察法，但需要较高精度的检测器件，且存在一定的功率波动［3］.本文根据光伏电池的工作情况，充分利用固定参数法的快速和电导增量法的高效、振荡小等优点提出了一种改进的电导增量法，该方法实现了光伏电池最大功率点的跟踪.通过Matlab仿真试验证明该方法可行.

1 光伏电池等效模型及输出特性

光伏电池是一种半导体装置，它能把吸收的太阳能转换为电能，容易受光照强度和环境温度等环境因素的影响.其模型图如图1所示.由该模型可得光伏电池的输出特性方程：

图1 光伏电池模型

式中：Iw——光伏电池工作电流；

Uw——光伏电池工作电压；

I1——光伏电池短路电流；

I2——二极管反向饱和电流；

Q——电子的电荷量；

R1——等效并联电阻；

R2——等效串联电阻；

k——波尔兹曼常数；

Tp——电池的温度；

I2——极管结电流.

在理想情况下，一般R2很小，R1很大.而在实际的工程应用中，一般将它们忽略不计.

2 光伏电池最大功率点跟踪的工作原理

在短路电流法控制中，光伏阵列的最大功率点处的工作电流Im与其短路电流I1之间存在着近似的线性关系，即Im＝kI＊I1，式中kI为比列常数且小于1（对于不同的光伏阵列，kI有不同的取值，一般kI为0.186［5］）.在开路电压法控制中，光伏阵列的最大功率点处的工作电压Um与其开路电压Uo之间也存在着近似的线性关系，即Um＝kU＊Uo，式中的kU一般取0.169.当光伏电池的短路电流或开路电压被我们获得后，就可以利用短路电流法或开路电压法控制系统.随着光照强度和环境温度的变化，kI、kU也随之变化.因此这两种方法的控制准确度较低，通常适用于小功率场合.

电导增量法是光伏电池MPPT常用的方法之一［4］.在最大功率点处功率对输出电压的导数为0，而P＝U＊I，所以

即

若达到最大功率点必须满足式（3），如果

则减小输出电压；如果

则增加输出电压.但是在实际的应用中满足式（3）很困难，因此我们引入一个误差因子E，若

则式（3）成立，从而得到最大功率点.电导增量法对检测仪器的精度要求比较高，所以要较长时间才能跟踪到最大功率点.此外系统还会因为跟踪最大功率点而导致部分功率的消耗.

3 改进的电导增量法

3.1 在线固定参数法的检测原理

光伏电池的dP／dU－U和dP／dI－I特性曲线分别如图2和图3所示.

由图2可知，光伏电池输出电压的增加量是一直在减少的.当位于a点时，光伏电池输出电压为0，处于短路状态，且光伏电池短路电流与dP／dU大小相等，此时输出功率为0.在a－b区间dP／dU的值随电池输出电压的增加而缓慢下降，且该值近似等于光伏电池短路电流［6－7］.

由图3可知，光伏电池输出电流的增加量是一直在增加的.当位于C点时，光伏电池输出电流为0，处于开路状态，而光伏电池开路电压与dP／dI大小相等，输出功率为0.在C－D区间dP／dI的值随电池输出电流的增加而缓慢上升，且该值近似等于电池开路电压.

3.2 在线固定参数法

由固定参数法的在线检测原理可知，dP／dU在图2的a－b区间和dP／dI在图3的C－D区间的值都为恒量，分别近似等于短路电流和开路电压的大小；dP／dU和dP／dI的值在靠近最大功率点时才发生了明显的变化.如果在图2的a－b区间和图3的C－D区间的任意一段上知道占空比变化前后的U和I，就可以推出短路电流或开路电压，然后根据固定参数法实现对系统的控制.

在线固定参数法通过检测光伏电池的参数，推断出光伏电池的短路电流或开路电压，从而克服了传统短路电流法在运行过程中对系统正常运行的干扰［8－9］.有了固定参数值，不论是在远离最大功率点的左端还是右端，都能快速地回到最大功率点.但由于该参数值是近似值，光伏电池只能在最大功率点附近工作.

4 改进电导增量法的工作过程

改进电导增量法的搜索过程如图4所示.

图4 改进电导增量法的搜索过程

由图4可知，当系统工作在e－f区间时，用固定参数法中的短路电流法控制；当系统工作在g－h区间时，用固定参数法中的开路电压法控制；最后都跟踪到f－g区间，然后采用电导增量法实现控制.

任选一工作时刻t，该方法的工作过程如下：

（1）根据t时刻的电压Ut和电流It，计算出此刻的输出功率Pt，并分别与t－1时刻的Ut－1、It－1、Pt－1进行比较，判断系统是工作在电流源模式还是工作在电压源模式，或者2种模式都不是.

（2）比较t－1时刻的Ut－1和t时刻的Ut，如果差值在允许范围内，则用开路电压法实现控制，开路电压用Ut的绝对值.

（3）比较t－1时刻的It－1和t时刻It，如果差值在允许范围内，则用短路电流法实现控制，短路电流用It的绝对值.

（4）如果比较的结果，既不工作在电流源模式也不工作在电压源模式，就可以判断系统是工作在最大功率点附近，用电导增量法实现控制.

不断进行该搜索过程，直到系统工作在最大功率点.

5 3种方法的仿真比较

本文利用Matlab对3种方法进行仿真验证.假定光伏电池为2种情况：①在开始输出时，输出功率为0；②在稳定输出时，输出功率为5 9W，为最大输出功率.当外部环境发生变化时，扰动观察法、电导增量法和基于改进的电导增量法的输出功率仿真结果分别如图5、图6、图7所示.电池输出功率由0输出经过动态过程后达到稳定.

由图5、图6、图7可以看出，扰动观察法反应比较慢，而且最后有功率振荡现象，而电导增量法和改进的电导增量法效果比较好.通过比较图6和图7可以发现改进的电导增量法比电导增量法快了约120ms，因此，改进的电导增量法可以快速稳定地跟踪到最大功率点.

6 结 语

通过对比分析和仿真验证可知，本文提出的方法－改进的电导增量法可以快速、准确地跟踪到最大功率点，并能有效地减少最大功率点处的功率振荡现象.

［1］张超，何湘宁.短路电流结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中的应用［J］.中国电机工程学报，2006，26（20）：98－102.

［2］Holm D P，Ropp M E.Comparative Study of Maximum Power Point to Tracking Algorithms Using an Experimental Programmable Maximum Power Point Tracking Test Bed［C］／／IEEE 28th Photovoltaic Specialists Conference Anchorage.USA：The IEEE Electron Devices Society，2000：1699－1703.

［3］苏虎成，陈忠，刘晋，等.基于开路电压、短路电流的最优梯度法的光伏发电系统MPPT控制［J］.电器开关，2010，1（6）：17－04.

［4］赵争鸣.太阳能光伏发电及其应用［M］.北京：科学出版社，2005.

［5］Masoum M A，Dehbonei H，Fuchs E F.The Orctical and Experimental Analyses of Photovoltaic Systems with Voltage and Current Based Maximum Power Point Tracking［J］.IEEE Transactions on Energy Conversim，2002，17（4）：5142－522.

［6］Saminni J，Soleimani E A，Zabihi M S.Optimal Sizeing of Photovoltaic Systems in Varied Limates［J］.Solar Energy，1997，60（2）：97－104.

［7］Sugimoto H，Dong H.A New Scheme for Maximum Photovotaic Power to Tracking Control［C］／／Proceedings of the Power Conversion Conference：VolumeⅡ.Nagacka：IEEE Indrstry Applications Society，1997：687－691.

［8］王江，王静，费向阳.永磁同步电动机的非线性PI速度控制［J］.应用声学，2005，25（7）：125－130.

［9］林维明，黄是鹏.具有快速负载动态响应的DC／DC开关变换器开环控制策略［J］.中国电机工程学报，2001，21（9）：78－81.