改进3点权位法的光伏电池MPPT控制器的应用研究

张毅，帕孜来·马合木提，徐立亮

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

改进3点权位法的光伏电池MPPT控制器的应用研究

张毅，帕孜来·马合木提，徐立亮

（新疆大学电气工程学院，新疆乌鲁木齐 830047）

针对目前光伏电池最大功率点跟踪算法跟踪效率不高、稳态波动大和易误判等缺点，提出基于改进3点权位法的光伏电池最大功率跟踪算法。根据光伏电池物理模型及其在工程应用领域中的数学模型，在Matlab/Simulink中搭建了光伏电池最大功率跟踪器仿真模型，将传统MPPT算法和3点权位算法进行仿真比较，结果表明改进3点权位法可以快速、稳定、有效地跟踪最大功率。

光伏电池；改进3点权位法；最大功率跟踪

1 引言

针对光伏电池的非线性输出特性，实时跟踪调整其工作点，使之始终工作在最大功率点处，是提高太阳能利用率的重要途径，这一过程被称为最大功率点跟踪（MPPT）。

目前比较常见的MPPT方法有：恒定电压法（CVT）、扰动观察法（P&O）、电导增量法（IC）等［1］。然而这些算法或能量转换效率低或稳态误差较大或易产生误判。文献［2］提出“扰动观察法”跟踪光伏电池的最大输出功率，通过比较现时功率与记忆功率的大小，周而复始地寻找最大功率点。但是此传统跟踪方法最大的缺点在于当系统达到最大功率点或是在最大功率附近时，它的周期仍不断变化，这种反复扰动容易造成光伏电池能量的损耗，降低光能的使用效率。另外，初始值和跟踪步长的给定对其跟踪精度以及速度有很大的影响，有时还会发生误判现象。

基于此，提出基于改进3点权位法的MPPT控制算法，并选取传统MPPT控制方法中的扰动观察法和未改进的3点权位法做仿真分析比较，验证了置入改进3点权位法的MPPT控制器具有快速、稳定和有效的最大功率跟踪效果。

2 光伏电池数学模型与仿真模型

2.1 光伏电池数学模型

由图1的电路图可以推导出光伏电池通用模型［3］：

式中：I为光伏电池的输出电流；Il为光生电流；Id为流过二极管的电流；q为单位电荷；Rs为串联电阻；R1为并联电阻；u为输出电压；K为玻尔兹曼常数，其值为1.38×10-23J/K；A为二极管曲线因子；T为绝对温度（T=t+273 K）。

图3是I—V，P—V在温度恒为25℃，仅随光照强度变化时的曲线组。由图3可知，随着光照强度的减小，最大功率点电流与光伏最大功率输出都减小，光伏最大功率输出曲线随电压变化发生一种类似于抛物线的变化趋势。图4是P—V在光照强度恒为800 W/m2，仅随温度变化时的曲线组。从以上分析可看出I—V，P—V随温度和光照强度的变化趋势均是非线性的。

考虑到式（1）中（u+IRs）/R1远小于光伏输出电流及Rs远小于二极管正向导通电阻，忽略（u+I Rs）/R1可得到其简化模型：

2010年扩建、改造16县道时曾发生塌陷，但未留下资料，其位置、范围、塌陷深度等不详。2013年进行治理设计时现场观测，16县道路面与附近民房没有明显的开裂现象，未发现较明显的塌陷坑(带)。扩建、改造县道时，残留的民采井(硐)绝大多数被回填。在矿区开采范围的西部、16县道南侧，民采井(硐)分布比较密集，其位置、井(硐)直径与深度等不详。仅有的2个残留民采井见表1。

根据上述的数学表达式，在Matlab/Simulink中搭建光伏电池仿真模型，如图2所示。

根据上文搭建的仿真模型，可以得到光伏电池I—V，P—V随光照强度的变化规律，分别如图3a图3b所示。光伏电池P—V随温度变化规律如图4所示。

Cathrine Hartung， Oddvar Knustad， Kjell Wardener等人认为，碎块状石墨是在冷却缓慢、成核潜能低、CE高、以及RE和微量元素偏析情况下造成的，建议从孕育效果、Sb中和RE、阻碍碳原子扩散，以及提高冷却速度方面着手解决。

某煤气化项目采用壳牌Hybrid下行水激冷粉煤气化工艺，生产6×104 m3/h有效气CO和H2。其中煤粉储仓自身质量约28.5 t，最大荷载75 t，该设备基础支撑点采用4个，通过查询称重传感器的选型手册，k1=0.35， k2=0.85，k3=2.5。

试验结果表明，复方阿胶浆药渣可以替代粗饲料饲喂驴；复方阿胶浆药渣通过提高脏器指数、机体代谢酶、血液生化参数和抗氧化能力等改善机体机能。

图1 光伏电池等效图Fig.1 Equivalent figure of photovoltaic cells

2.2 光伏仿真模型

当系统处于短路状态时，电流Id和I都等于0，流过R1的电流为

图2 光伏电池模型Fig.2 Model of photovoltaic cell

式中：S为光照强度，1 000 W/m2；Sref为标准测试日照强度，1 000 W/m2；Tref为标准测试温度，25℃。

图3 温度恒为25℃时I—V，P—V曲线Fig.3 I—V and P—V curves of the constant temperature of 25 ℃

图4 光照强度恒为800 W/m2时P—V曲线Fig.4 P—V curves of the constant light intensity of 800 W/m2

天脊集团主动承担社会责任，通过组织万名农户回厂参观、农技培训、示范推广等活动，重点发展培育种植大户，培训数万名真正“爱农业、爱天脊、懂技术、善经营”的科学种植带头人，加大对潜在客户、重点客户的走访频率和服务跟进次数，通过科学开展试验示范推广，以点带面、以老带新，扎扎实实去赢得客户、占领市场。

3 3点权位最大功率跟踪算法

3.1 改进3点权位法工作流程

为了解决传统MPPT方法稳态误差大与最大功率点跟踪不稳定和易误判的问题，文中采用改进3点权位法建立光伏电池最大功率跟踪控制器。它的主要特点在于，周期是固定不变的，不会因外部环境的变化而影响系统的输出功率，从而系统的稳定性得到了提高。图5介绍了该方法的具体工作流程。

图5 改进3点权位法流程图Fig.5 The flow diagram of improved threepoint weighting algorithm

3.2 改进3点权位法工作原理

文章基于改进3点权位法，取输入为光伏电池的电流与电压，输出为占空比的增量。3点权位法在每次判断时依据相邻时刻的3点功率进行判别，从而决定下一周期的走向。取目前周期为Dn，此时对应的光伏出力为P（k）作为B点；周期Dn-ΔD时测得的光伏出力是P（k-1）作为A点，斜率大于0时权位值U取1；当斜率等于0时权位值U取0；当斜率小于0时权位值U取-1。将测得的直线AB，BC斜率的位权值相加并取值为W，文章考虑到相邻时间间隔光伏出力的0斜率变化，为了减少算法循环进行的次数，更有效地跟踪光伏出力变化，W取值为-2，2，0，-1，1。

根据文献［4］提出的3点权位法，是需要测量风力机3个点A，B，C的功率值，计算BA及CB间的斜率，进而计算其权位值以确定下一个责任周期的大小。虽算法简单，但未考虑斜率为0的情况，循环判断次数较多，容易发生误判。

具体实现为：当W>0时，光伏出力处于增大的趋势，为了使光伏出力达到最大值，下一个周期取值Dn+ΔD；当W=0时，光伏出力达到了最大值，下一个周期取值Dn；当W<0时，光伏出力处于减小的趋势，为了使光伏出力达到最大值，下一个周期取值Dn-ΔD。斜率变化时的权值取值和跟踪周期变化如表1所示。搭建的跟踪器仿真模型见图6。表中“+”代表Tn+1=Dn+ΔD，“-”代表Tn+1=Dn-ΔD，“—”表示Tn+1=Dn。

表1 跟踪周期变化Tab.1 The change of tracking cycles

图6 跟踪器仿真模型Fig.6 The model of tracker simulation

4 基于升压斩波电路的MPPT仿真分析

利用Matlab/Simulink仿真软件搭建的带有MPPT控制器的光伏系统仿真模型如图7所示。

图7 带有MPPT控制器的光伏系统仿真模型Fig.7 The simulation model of photovoltaic system with MPPT controller

先将扰动观察法与改进3点权位法置入MPPT控制器进行仿真比较，其仿真曲线分别如图8、图9所示。由前文可知温度变化对光伏电池功率的影响比光照强度较小，此处采取恒光照强度，仅温度变化来进行仿真。为了更好地看出跟踪器的响应时间，仿真时间采取1 s，图8、图9是光照强度恒定为800 W/m2，温度依次为15℃，25℃，35℃，45℃时，分别采用扰动观察法与改进3点权位法得出的最大功率跟踪曲线。然后将传统3点权位法与改进3点权位法置MPPT控制器进行仿真比较，其仿真曲线如图10所示，为了便于观察，此处采取恒温，仅光照强度发生变化进行仿真，仿真时间设置为1.2 s。图10是温度恒定为25℃，光照强度依次为1 000 W/m2，900W/m2，800 W/m2，700 W/m2时，分别采用传统3点权位法与改进3点权位法得出的最大功率跟踪曲线。

图8 扰动观察法MPPT跟踪图Fig.8 The MPPT following figure of disturbance observation

图9 改进3点权位法MPPT跟踪图Fig.9 The MPPT following figure of improved three-point weighting algorithm

由图8和图9可以看出，当外界温度发生3次变化时，基于改进3点权位法的跟踪器能较好地跟踪最大功率点的变化，并很快达到稳定；而基于扰动观察法的跟踪器则在温度发生变化的瞬间，不能很快跟踪到最大功率点，反而产生较大波动。

为有效针对商渔船碰撞事故，中山海事局多项并举防范风险。通过开展防范商渔船碰撞的专项整治行动、集中开展安全意识教育，将海事监管与帮扶脱贫工作相结合，创新“履职+扶贫”工作法等，有效破解了顽疾。今年以来中山海事辖区没有发生商渔船碰撞的统计口径事故，防范商渔船碰撞工作取得了阶段成效。同时，中山海事局不断强化管控，开展防范船碰桥治理行动，协助地方政府开展岸线整治和临时装卸点综合治理行动。探索建立区域防治船舶污染水域环境联防联控机制。牵头组织编制了《西江水域船舶航行指南》。该指南内容丰富，可读性强，为航行西江的船舶提供了很好的航行指引，能切实预防事故发生，有效推动了“平安西江”的建设。

图10 改进3点权位法MPPT跟踪图Fig.10 The MPPT following figure of improved three-point weighting algorithm

由图10可以看出，在光照发生突变时，改进的3点权位法使系统达到最大功率的时间较传统方法快。由此可以得出，改进3点权位法较传统方法有较小的响应时间并且在外界环境发生变化时能够较好地跟踪其变化。

5 结论

文章在Matlab/Simulink中搭建了光伏电池模型并对其输出特性进行仿真，验证了模型的合理性。提出基于改进3点权位法的最大功率跟踪控制器进行仿真，仿真结果表明，在外界环境发生突变时，该方法能够较好地跟踪到光伏电池输出特性的最大功率点，对提高太阳能的利用率有一定的参考价值。

［1］ 刘萌，孙少华，杜之正，等.改进电导增量法的光伏电池MPPT仿真［J］.山东电力高等专科学校学报，2012，15（6）：17-20.

［2］ 程启明，程尹曼.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究［J］.华东电力，2009，37（8）：1300-1306.

［3］ 李洁，刘蕴达.光伏电池和MPPT控制器的仿真模型［J］.电源技术研究与设计，2012，36（12）：1836-1839.

［4］ 李朋.小型风力发电系统最大功率追踪及控制器的研究［D］.济南：山东建筑大学，2011.

［5］ 魏学业，王立华.光伏发电技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［6］ 陶宁波.一种基于新型MPPT算法的嵌入式太阳能光伏逆变器［D］.杭州：杭州电子科技大学，2011.

［7］ 王兆安，刘进军.电力电子技术［M］.北京：机械工业出版社，2009.

修改稿日期：2015-02-04

Photovoltaic Battery MPPT Controller Simulation Applied Research with Improvement on Three Point Weighting Algorithm

ZHANG Yi，Pazilai·Mahemuti，XU Li-liang
（College of Electrical Engineering，Xinjiang University，Urumqi830047，Xinjiang，China）

Due to the disadvantages such as low tracking efficiency，big steady-state wave motion and high erroneous judgement of the current photovoltaic maximum power point tracking algorithm，the photovoltaic maximum power tracking algorithm which is based on the improved three point weighting was proposed.According to the physical model of the photovoltaic cell and its mathematical model in the engineering applications，the simulation model of the photovoltaic maxmum power point tracking was built using Matlab/Simulink and made a comparison between the traditional MPPT algorithm and three point weighting algorithm.The simulation results show that the improved three point weighting algorithm can track the maximum power quickly，steadily and efficiently.

photovoltaic cells；improved three point weighting algorithm；maximum power point tracking（MPPT）

TM615

A

国家自然科学基金资助项目（61364010）

张毅（1989-），女，硕士研究生，Email：641380669@qq.com

2014-08-19