基于改进的扰动观察法在光伏发电MPPT中的应用

陈令军， 戴瑜兴,2， 全惠敏

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325035)

基于改进的扰动观察法在光伏发电MPPT中的应用

陈令军1， 戴瑜兴1,2， 全惠敏1

(1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙410082；2.温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325035)

光伏电池是一种非线性电源，随外界环境的变化而变化，为了提高光伏阵列的利用率，光伏系统中需采用最大功率跟踪(maximum power point tracking，MPPT)。近年的研究中，提出了许多跟踪算法，其中应用最为广泛的是扰动观察法和电导增量法。在分析扰动观察法的基础上，进行优化提出了一种改进的变步长算法，它有效提高了最大功率点跟踪过程中的跟踪速率，克服了扰动方向的误判问题，消除了在最大功率点的振荡现象。仿真与实验结果证明了该方法的有效性。

光伏发电；最大功率功率跟踪；扰动观察法；光伏阵列；变步长；PID控制

随着传统能源的消耗，欧洲发达国家对核能发电的禁止，太阳能受到了越来越多的关注，它作为一种具有可持续发展的绿色能源已成为国、内外研究的热点，特别是光伏上网电价法的出台，极大地促进了国内对光伏发电的研究。由于光伏电池的特殊性，它是一种非线性的直流源，它的输出功率随着日照强度、电池结温和串联电阻的变化而变化。光伏电池的光电转换效率受到光伏材料与制造工艺的限制，目前市场上一般单晶硅光伏电池的光电转换效率只有约为14%～16%[1]，所以在实际的应用系统中，为了在同样的日照强度和电池结温下最大限度的获得电能，在光伏器件和输出负载之间引入了最大功率点跟踪(maximum power point tracking，MPPT)电路。

MPPT电路常用的控制方法有固定参数法(如固定电压法、固定电流法)、基于扰动的自寻优控制法(扰动观察法及电导增量法)、智能处理方法(模糊逻辑控制法、神经网络法)等[2-4]，其中扰动观察法与电导增量法研究最为深入，应用最为广范[5-7]。本文在分析光伏电池特性的基础上，提出了一种改进的扰动观察法，并在一台BUCK型DC/DC光伏充电器上进行了最大功率跟踪实验，验证了改进算法的有效性。

1 光伏电池特性

图1是光伏阵列的I-V和P-V特性曲线。从图中可以看出，光伏阵列是一种非线性直流电源。其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流快速下降；其输出功率在电压上升过程中迅速增加，在接近开路电压时，达到最大功率。

图1 光伏阵列的I-V与P-V特性曲线

2 MPPT控制算法

2.1 扰动观察法

扰动观察法因其控制简单，成本低而成为了目前最常用的算法。扰动观察法主要原理是以一定的时间间隔对阵列输出电压、电流进行采样，然后计算得出光伏阵列功率，与上一次功率进行比较，再根据输出功率的变化决定下一步的动作以实现最大功率跟踪。图2为基本扰动观察法的控制流程图。

图2 基本扰动观察法流程图

扰动观察法主要的缺点也与其特点有关，因为其要不断地在功率点左右扰动，所以当系统在最大功率点时就会存在一定程度的振荡现象，振荡的大小与算法所取的跟踪步长有关。取小步长可以减小振荡，但是在追踪过程中速度过慢而损失功率；取大步长虽然可以增加追踪速度，但是在最大功率点又会引起较大振荡。另外一大缺点就是当外部环境发生迅速变化时，跟踪算法会发生错误判断而远离最大功率点，所以为了提高跟踪速度同时减小在最大功率点的振荡及误断，改进常规的振动观察法成为必要。

2.2 改进的扰动观察法

正是因为扰动观察法在光照条件剧烈变化时存在振荡，以及跟踪步长对跟踪速度精度的影响，当采用定步长时，当步长越大，跟踪速度越快，但在最大功率点附近波动幅度较大，功率损失也越大，反之步长越小，系统在最大功率点附近振荡的幅度越小，功率损失越小，但达到最大功率点所用的跟踪时间也越长。为了保障光伏系统最大功率点跟踪的速度和精度，本文采用了自适应变步长振动观察法，将步长设定在一定范围内变化，防止步长过大而超出范围，使得算法失效。图3为改进的扰动观察法流程图。

图3 改进的扰动观察法流程图

电压扰动表达式可以表示为：

虽然变步长的引入在一定程度上可以减少系统在最大功率点的振荡，但是在外界环境发生剧烈变化，系统误断现象没有很好地有效解决。因此在扰动观察法的基础上，在扰动的相反方向增加一测量点进行双向扰动比较，可以有效减少误断。具体算法如图3所示，其中

本文将DC/DC变换器的占空比作为扰动对象，通过公式(2)得出扰动步长和扰动电压，再通过PI算法得出相应的控制占空比，直接控制变换器，这样简化了算法的控制难度，减小了光伏充电器的变换器设计难度，也使得扰动过程更加平稳。

3 仿真与实验结果

为了验证改进方法的有效性，分别在Matlab/Simulink仿真平台和一台BUCK型DC/DC光伏充电器上进行了单峰系统最大功率跟踪仿真与实验。光伏仿真参数设置为：开路电压=110 V，短路电流=6 A，工作时电压=91 V，电流= 4.98 A。仿真结果如图4所示(红色为电流波形，绿色为电压波形，蓝色为功率波形)，从图中可以看出，系统经过略微的扰荡后到达最大功率点并稳定工作。

图4 改进的扰动观察法仿真波形

实验平台如图5所示的光伏充电器，它是基于STM32的BUCK型DC/DC充电器。图6为实验结果。从图中可以看出，系统经过几次的扰动即快速达到最大功率点，且输出电压功率很平稳，达到预期的目的。

图5 光伏充电器

4 结论

本文首先分析了光伏电池的输出特性以及应用最广泛的扰动观察法，提出了一种改进的自适应变步长的扰动法；然后在Matlab/Simulink仿真环境下进行了仿真，在光伏充电器上进行了实验。仿真与实验结果表明，该方法在继承了扰动观察法的优点的基础上，对最大功率跟踪还具有速度快、效率高、稳定性好的优点。在进一步的研究中，将对在阴影及恶劣条件下，光伏阵列出现多峰情况时，对算法采样及步长进行优化，以提高算法的通用性。

图6 改进的扰动观察法实验波形

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Application in MPPT of photovoltaic power generation based on improved perturbation and observation method

PV cells was nonlinear and it was time-varying under changing solar irradiance and ambient temperature.Therefore the MPPT techniques should be invented in PV systems in order to maximize the output power of PV systems.In recent years,there were a lot of MPPT methods reported in the literatures,among them,the perturb and observe method and incremental conductance method were very commonly used in PV systems.Amodified algorithm with variable step size based upon the Perturb and Observe(P&O)method was proposed.The utilization of PV panel with rapid and accurate MPPT track were improved.The oscillations around the MPP were eliminated.Both simulations and experimental results show its effectiveness.

photovoltaic power generation;maximum power point tracking(MPPT);perturb and observe(P&O); photovoltaic(PV)array;variable step size;PID control

TM 615

A

1002-087 X(2016)03-0614-03

2015-08-02

陈令军(1988—)，男，湖南省人，硕士生，主要研究方向为光伏发电。

戴瑜兴，E-mail:daiyx@hnu.edu.cn,daiyx@wzu.edu.cn