一种光伏电池最大功率跟踪算法

张锐，高金峰，陶瑞，吴晓迪，刘青

（郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

一种光伏电池最大功率跟踪算法

张锐，高金峰，陶瑞，吴晓迪，刘青

（郑州大学电气工程学院，河南 郑州 450001）

光伏电池的输出特性呈现非线性，为了确保光伏阵列的输出功率始终在最大功率点上，需要采用适当的控制算法来实现最大功率跟踪。采用固定电压法与变步长电导增量法相结合的方法来实现最大功率跟踪。该方法解决了固定电压法在外界环境剧烈变化时不能工作在最大功率点上，以及电导增量法的动态跟踪速度和稳态输出稳定性不能协调的问题。理论分析证明了该算法的有效性及实用性。

光伏阵列；非线性；固定电压法；电导增量法；极值点；最大功率跟踪

太阳能发电系统作为一种新型的能源系统，已经引起许多国家的关注和研究。利用太阳能的主要挑战是应对它随温度和光照变化时的非线性输出，太阳能辐射的波动性和随机性以及温度的变化会使系统的工作点变得不稳定，导致光伏阵列不能持续工作在最大功率输出点，进而降低了光伏发电系统的能量转换效率，减少了光伏阵列向电网或负荷注入的电能。因此，应当采取措施来实现最大功率跟踪。光伏发电的最大功率点跟踪(MPPT)就是使光伏阵列工作点能够随外界环境，如光照强度、环境温度等外界条件的变化做出适当的调整，从而达到任何时刻都能输出最大功率的目的。在光伏发电系统中，通过电力电子和控制技术来实现光伏发电的最大功率跟踪是提高光伏发电效率的有效途径之一。

国内外已经提出了各种各样的最大功率跟踪算法，如固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊控制法、神经网络控制法等[1]。固定电压法能够快速锁定跟踪点，系统工作相对稳定，但当外界环境发生改变时，最大功率跟踪误差较大，有较大的功率损失[2]。文献[3]对固定电压法做了改进，通过经验查表法能够提高MPPT的控制效果。扰动观察法跟踪算法简单，容易实现，但跟踪精度和响应速度无法兼顾，在特定情况下可能会出现判断失误的现象[4]。电导增量法实质上是对扰动观察法的改进，且步长的大小决定跟踪精度，若步长过小，跟踪精度高，但跟踪时间较长；若步长较大，系统反应很快，但光伏系统有可能不是工作在最大功率点上，并且会在最大功率点附近波动，加大了功率损耗[5-6]。模糊控制法在外部环境变化时能快速响应，但模糊控制是有差控制，在最大功率点附近仍有振荡，出现功率损失[7-8]。神经网络控制法有良好的鲁棒性和较快的响应速度，但其算法实现较复杂[9]。

为了解决跟踪精度和跟踪速度之间的矛盾，本文给出了一种算法，在变步长电导增量法的基础上，给出了一种通过极值点和固定电压控制范围的比较来判断跟踪状态的控制算法，仿真和分析结果表明该算法在外界环境变化时，能够快速搜索到最大功率点，且较好地抑制了系统最大功率点附近的振荡，有效提高了系统跟踪速度和精度。

1 光伏阵列输出特性

考虑到光伏电池的非线性，根据图1知光伏电池的伏安特性为：

在实际工程中，单个光伏电池的电压很小，常采用串联增加电压、并联增加电流的方式组合成光伏阵列来获取大功率输出。根据公式(1)，在Matlab中搭建光伏阵列模型，通过仿真其输出特性如图2～图5所示。

由图2～图5仿真分析得到的数据如表1和表2所示，可知：短路电流主要受光照辐射度变化的影响，但对开路电压影响较小，则当光照辐射度变化不大的情况下，输出开路电压变化小，光伏电池的输出功率和光照辐射度成正比；而开路电压主要受到温度的影响，但是对短路电流影响不是很大。输出功率受到光照强度和温度的影响，如表1所示，光照在1 000和400W/m2时输出功率相差值为90.181 4W。但在一定条件下每个时刻都有一个最大功率点，因此需要采用控制算法实现最大功率搜索，保证光伏阵列能快速有效工作在最大功率点上。

图1 光伏电池等效电路

2 最大功率跟踪算法研究

根据光伏电池阵列的输出特性可知，其U-I特性曲线为单膝曲线，对应的P-I曲线为单峰曲线，则知在输出过程的某个时刻必然有最大功率输出，为了确保输出功率始终在最大功率点上，必须采用一定的控制算法进行控制。

固定电压法：当温度一定时，不同光照强度下光伏电池的最大功率点电压几乎相等，因此，固定电压法的控制思路就是将光伏电池输出电压控制在该电压处，使光伏电池近似工作在最大功率处。该算法的优点是控制简单易实现，能够快速锁定跟踪点，系统工作相对稳定，缺点是当外界环境发生剧烈改变时，MPPT误差较大，有较大的功率损失。

电导增量法：其工作原理是通过光伏电池中P-U曲线可知最大功率点的斜率为0，即d/d=0，由=通过求导得d/d=－/。此算法就是通过比较d/d与－/的关系来判断调节光伏电池输出电压的一种MPPT算法。其优点是当光照强度变化时，光伏电池的输出电压能以平稳的方式变化；缺点是对硬件的要求特别是传感器的精度要求较高，对控制系统要求高，整个系统造价相对高一些。

针对上述情况本文提出了用固定电压和变步长电导增量法相结合求极值的方法。该算法利用固定电压法能快速锁定跟踪区域，变步长电导增量法的快速响应来实现跟踪。为了能精确判断跟踪区域，用极值点的分布情况来判断步长的工作模式，如图6所示。

光伏阵列的输出功率可以表示为：

图2 温度相同光照不同时光伏电池U-I曲线

图3 温度相同光照不同时光伏电池P-U曲线

图4 光照相同温度不同时光伏电池U-I曲线

图5 光照相同温度不同时光伏电池P-U曲线

表1 温度(25 °C)不变时不同光照条件下的光伏阵列输出参数

表2 光照(1 000 W/m2)不变时不同温度下的光伏阵列输出参数

图6 光伏阵列功率求极值曲线示意图

根据固定电压的锁定区域跟踪范围可知，在变步长工作模式中，通过比较1和1oc及2和2oc的大小来快速跟踪，当1oc＞1时，需以1oc为参考值进行跟踪，当1oc＜1时，仍以1为参考值进行跟踪；2oc和2的比较依次类推，故可得如下判据：

该新型算法仍然是基于光伏阵列P-U曲线单峰值曲线，在最大功率点处有d/d=0，则知：

3 仿真结果与分析

为了仿真分析方便，设置光伏电池的仿真时间为2 s，离散时间为0.000 1 s，采样间隔为0.2 s，结合函数得出仿真图形如图7～图9所示。图7是温度为25℃，光照辐射度在1.2 s时刻由1 000W/m2下降到800W/m2，在1.6 s时刻光照辐射度由800W/m2下降到600W/m2的功率跟踪图；图8是光照为1 000W/m2时，在1 s时刻温度由0℃上升到25℃，在1.6 s时刻由25℃上升到50℃的功率跟踪图；图9是光照为1 000 W/m2时温度由25℃上升到50℃时的功率放大跟踪图。

由图7所示的数据知在1.2 s时刻发生光照突变时，其输出功率为81.02W，在1.8 s时刻由600W/m2上升到800W/m2时其输出功率为111.2W，与表1中的输出功率相差只有0.6 W左右；图8所示的数据可知在1.2 s时刻温度发生改变，由0℃上升到25℃时其输出功率为141.09W，在1.8 s时刻由25℃上升到50℃时其输出功率为127.84W，这和表2中的功率数据十分接近；综合图7、图8及表1和表2可知该算法实现跟踪最大功率点的精度在99.58%左右。图9显示了跟踪时间仅需0.02 s，而文献[10]所需的时间为1.2 s，因此，图9表明了该算法在外界环境变化时能快速响应，实现跟踪。

图7 25℃时不同光照跟踪波形图

图8 1 000W/m2时不同温度下功率跟踪图

图9 光照不变温度变化时功率跟踪部分放大图

4 结论

本文根据光伏阵列的输出特性，提出了将固定电压法和变步长电导增量法相结合求极值的方法，解决了固定电压法在外界环境剧烈变化时不能工作在最大功率点上，以及电导增量法的动态跟踪速度和稳态输出稳定性之间的不协调问题。仿真和分析结果表明该算法在外界环境发生改变时能够实现跟踪，并且较好地抑制了最大功率点附近的振荡，有效地提高了系统的跟踪精度和速度。

[1]赵争鸣，刘建政，孙晓英，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005：11-13.

[2]葛丽芳，吴晓波，赵梦恋.基于固定电压法的太阳能电池MPPT系统[J].微电子学，2008，38(5)：703-707.

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

[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]叶满园，官二勇，宋平岗，等.以电导增量法实现MPPT的单级光伏并网逆变器[J].电力电子技术，2006，40(2)：30-32.

[6]MEIQ,SHAN M W,LIU L Y,et al.A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems[J]. IEEE Transactionson Industrial Electronics,2011,58(6):111-115.

[7]陈俊，惠晶.基于模糊控制技术策略的光伏发电MPPT控制技术[J].现代电子技术，2009，32(6)：182-185.

[8]戴晨骏，王宏华.基于模糊控制策略的光伏发电MPPT仿真[J].机械制造与自动化，2010，39(2)：136-138.

[9]张岚，张艳霞，郭嫦敏，等.基于神经网络的光伏系统发电功率预测[J].中国电力，2010，43(9)：75-78.

[10]高金辉，唐静.一种新型光伏系统最大功率跟踪算法的研究[J].电力系统保护与控制，2011，23：20-24.

AMPPT algorithm for PV cell

ZHANG Rui,GAO Jin-feng,TAO Rui,WU Xiao-di,LIUQing

The output characteristics of the photovoltaic cellappear nonlinear,and for ensuring the output power of PV array always on the maximum power point,it requires appropriate control algorithm s to achieve maximum power point tracking.Constant voltage algorithm was combined w ith variable step incremental conductance algorithm to achieve maximum power tracking.Thismethod solved the problem that constant voltage method could notwork at the maximum power pointwhen externalenvironment dramatically changed,and that dynam ic tracking speed and steady outputstability of incremental conductance algorithm could notbe reconciled.Theoreticalanalysis proves the effectiveness and practicality of the algorithm.

PV array;nonlinear;constantvoltage algorithm;incrementalconductance algorithm;extreme point;MPPT

TM 914

A

1002-087 X(2014)05-0858-03

2013-11-20

张锐(1986—)，男，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为光伏并网发电系统。