基于一种复合算法的光伏阵列MPPT研究

吴雷，杜蘅，徐鹏

（江南大学电气自动化研究所，江苏 无锡 214122）

基于一种复合算法的光伏阵列MPPT研究

吴雷，杜蘅，徐鹏

（江南大学电气自动化研究所，江苏 无锡 214122）

在对光伏阵列输出特性分析的基础上，综合了传统的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法的优点，提出了一种将固定电流法、固定电压法和增量电导法相结合的MPPT控制算法，使用Matlab/Simulink对该控制算法与增量电导法进行了仿真比较。仿真结果表明该算法有效地提高了系统MPPT控制的响应速度和精度，并且具有较强的抗干扰能力，能够更好地适应外界环境变化。

MPPT；固定电流法；固定电压法；增量电导法

在可再生能源中，光伏能源具有丰富、清洁和无污染的特性，因此光伏发电越来越得到各个国家的重视，最大功率点跟踪(MPPT)控制成为光伏发电最重要的研究方向之一。在传统MPPT控制算法中有扰动观察法、增量电导法、固定电压法和固定电流法。扰动观察算法比较简单，但是在跟踪到最大功率点(MPP)附近时会产生振荡，影响系统工作效率。增量电导法在一定程度上克服了MPP附近的振荡问题，但是存在跟踪精度和跟踪速度矛盾的问题[1]。固定电压法和固定电流法都是基于光伏阵列输出特性实现的。固定算法在跟踪速度上具有一定优势，但是在跟踪精度上有待提高，尤其是当外界环境发生巨大变化时，系统会产生较大的跟踪误差。

文献[2-5]提出了将两种传统控制算法相结合的双模控制方法，在一定程度上缓解了系统的跟踪精度和跟踪速度的矛盾，但是也存在一些缺陷。在文献[2-4]的实际应用中，当系统工作点远离MPP时，需要采样开路电压，通常有两种方式：并联冗余电池板的开路采样和周期性开路采样[6]。第一种方式增加了系统的硬件成本和维护费用，第二种方式由于周期性的开路，降低了系统的工作效率。根据文献[5]提出的方法，当系统工作在电流源区时，可以迅速跟踪到MPP附近。但是当系统工作点在MPP右侧的电压源区时，系统首先要绕过MPP，盲目过渡到左侧的电流源区，之后再返回跟踪到MPP，这就降低了系统的跟踪速度。

这些控制算法各有优缺点，因此，本文针对光伏阵列的输出特性，提出了一种新的复合控制算法，从而达到优势互补的目的。大体思路为将增量电导法、固定电压法和固定电流法相结合，通过判断系统工作点所在区间（如图1的A-B、B-C和C-D），从而自动切换最适合的控制算法，同时根据光伏电池的特性，在线计算sc和oc，使得系统无论工作在MPP的左侧还是右侧，都可以直接跟踪到MPP附近，这时再采用变步长电导法，精确跟踪MPP。这些改进提高了系统跟踪MPP的精度和速度，保证了系统的工作效率。

1 光伏阵列输出特性

光伏电池发电的原理是利用太阳光照射到半导体表面上，半导体吸收光能后，两级产生电动势，这种现象就是光生伏打效应，将太阳能直接转换为电能[7]。光伏电池本身就是个PN结，其工作原理与二极管类似[8]。光伏阵列的输出特性如图1所示。从图1中可以看出，在曲线上的A-B段，光伏电池相当于恒流源，在C-D段又具有恒压源特性。本文提出的复合MPPT控制算法正是依据光伏电池这一特性来实现的。

2 复合MPPT控制算法

复合算法思想的重点在于，系统可以适时自动切换到当前最适合系统工作的控制算法，外界环境变化时亦如此。基于此，在本文提出的复合算法中，首先设定参数：

图2 曲线(=1,3,5)

该算法适应于各种天气变化，图3分别展示了光伏电池在不同温度和不同光照条件下曲线的变化情况。由图3看出，在天气变化的情况下，根据式(2)仍可以将三种算法有机地结合起来，因此，复合算法具有较强的抗干扰性，可以很好地保证系统MPPT控制的稳定性。

图3 不同条件下和曲线

B-C区间处在最大功率点附近，当系统工作在这一区间时采用变步长的增量电导法，其中设定单位步长为Δref。曲线的斜率绝对值可以转换为关于θ的函数：

根据公式(6)：

可以得到：

最终根据公式(7)，得到变步长计算公式：

采用变步长增量电导法，可以更好地保证系统的跟踪精度，提高了系统在最大功率点附近的稳定性，避免了盲目追踪和步长过大导致的振动。

在C-D区间，光伏电池类似于电压源，在这一区间，输出电压变化不大。根据固定电压法，最大功率点电压m和开路电压oc存在一定的线性关系。所以通过公式(9)、(10)可以在线计算ref的近似值，避免了因为开路采样降低系统的工作效率。相比文献[5]，当系统工作在电压源区时，不必再过渡到电流源区，而是能够迅速稳定地跟踪到最大功率点附近。

复合算法流程如图4所示。首先进行数值采样计算，再根据式(2)判定系统所在的工作区间，从而切换为最适当的控制算法进行MPPT控制。

图4 复合MPPT算法流程

3 仿真研究

为了验证本文提出的MPPT控制算法的有效性，在Matlab/Simulink软件下对增量电导法和提出的复合算法进行了仿真分析。主电路选择BoostDC/DC变换电路，光伏电池的模型按照电池组件Solarex MSX60 60W所提供的参数进行搭建，其中最大功率max=60W，最大功率点电压和电流分别为m=17.1 V，m=3.5 A，开路电压oc=21.1 V，短路电流sc=3.8 A。

图5和图6展示了MPPT控制在追踪初始阶段功率和占空比的变化。由图5可见，增量电导法在0.02 s跟踪到最大功率点，复合算法在0.01 s前就已经达到稳态，由此看出，复合算法响应更快，跟踪更迅速；图6表明，初始阶段，系统采用固定算法，占空比经过PI调节逐渐接近ref。在接近MPP时，系统切换为增量电导法，仿真波形在=0.6附近呈微小振荡状态，充分反映了复合算法的工作模式。

图5 初始阶段功率变化比较波形

图6 初始阶段占空比变化波形

图7 增量电导法功率波形

图8 复合算法功率波形

图9 占空比变化波形

由图7、图8比较可得，复合算法有效减轻了系统在MPP的振荡问题，在不影响跟踪速度的情况下，有效提高了系统的跟踪精度，实现了系统在跟踪速度和跟踪精度上同时兼顾。图9则展示了系统在不同光照情况下占空比的变化情况。

4 结论

本文在光伏电池输出特性的基础上，将几种传统算法相结合，提出了一种新的控制算法，该算法继承了固定参数法快速跟踪和增量电导法精确跟踪的优点，同时可以在线计算短路电流和开路电压，避免了传统固定参数法采样时造成的功率损失。通过仿真验证可知，该控制算法在外界光照强度发生突变时，能够迅速、精确地跟踪到MPP，减少了振荡现象的产生，提高了系统的工作效率。

[1]朱拓斐，陈国定.光伏发电中MPPT控制方法综述[J].电源技术， 2011，35(10)：1322-1324.

[2]焦阳，宋强，刘文华.基于改进MPPT算法的光伏并网系统控制策略[J].电力自动化设备，2010，30(12)：92-96.

[3]熊远生，俞立，徐建明.固定电压法结合扰动观察法在光伏发电最大功率点跟踪控制中应用[J].电力自动化设备，2009，29(6)：85-88.

[4]陶宁波，寥玉忠.一种光伏电源的双模MPPT控制及应用[J].电源技术，2011，35(5)：548-550.

[5]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)：98-101.

[6]龚菲.太阳能光伏路灯系统中MPPT控制器的研究与设计[D].杭州：浙江大学，2007.

[7]MARIUSP,JAN CG,BENEDIKT B.Efficiency lim itand example of a photonic solar cell[J].Applied Physics,2011,18(8):043104-043105.

[8]熊远生.太阳能光伏发电系统的控制问题研究[D].浙江：浙江工业大学，2009.

Photovoltaic arraymaximum power point tracking based on a compound algorithm

WU Lei,DU Heng,XU Peng

On the basis of the analysis of the output characteristic of photovoltaic array,an improved maximum power point tracking(MPPT)controlalgorithm combining incremental conductance algorithm w ith constant voltage algorithm and constant current algorithm was proposed by integrating the advantages of traditional MPPT control algorithm s. The proposed algorithm and incremental conductance algorithms were simulated w ith Matlab/Simulink program.The simulation results showed that the proposed scheme could greatly im prove the MPPT response speed and accuracy. Moreover,itwasmore suitable for operating condition change due to the strong capability ofanti-interference.

MPPT;constant currentalgorithm;constantvoltage algorithm;incremental conductance algorithm

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0855-03

2013-10-30

吴雷(1962—)，男，江苏省人，副教授，主要研究方向为感应加热电源、新能源发电与控制技术。