改进型扰动观察法在光伏MPPT中的研究

荣德生，刘凤

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛125105）

改进型扰动观察法在光伏MPPT中的研究

荣德生，刘凤

（辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，葫芦岛125105）

为了解决传统扰动观察法稳态精度低、响应速度差、容易发生误判等问题，该文提出了一种基于滞环比较的变步长改进型扰动观察法。文中对光伏电池进行了深入的研究，探讨了升压变换器实现最大功率点跟踪MPPT的原理，在Matlab/Simulink中建立了MPPT的仿真模型，通过仿真验证了该方法的可行性。采用DSP（芯片为TMS320F28335）进行了实验，验证了该方法能快速跟踪到最大功率点，并且有良好的启动特性，有效消除了误判及最大功率点附近的振荡现象。

升压变换器；滞环比较；变步长扰动观察法；最大功率点跟踪；光伏

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色可再生能源，正日益发展成为世界能源组成中的重要部分[1]。光伏电池是光伏发电系统中的重要组成部分。光伏电池的输出特性不仅要受到自身内部特性的影响，还要受到环境温度、光照强度以及负载大小的影响，光伏电池非线性的特点需要进行深入研究。为了提高光伏发电系统的效率，就需要最大限度地使太阳能转化为电能，所以要用到最大功率点跟踪技术[2]。对于光伏发电系统来说，MPPT系统模块一般由光伏电池阵列、MPPT算法、脉冲宽度调试PWM（pulsewidthmodulation）模块、DC/DC变换器等模块构成[3]。目前国内外学者研究了许多种MPPT算法，都存在一些优缺点。现今最常用的方法包括恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、滞环比较法、模糊控制法、神经网络法[4]。本文提出了一种基于升压变换器BOOST（boost converter）来实现MPPT的算法，其是一种具有滞环比较的变步长改进型扰动观察法。该方法可以有效地解决误判现象和MPP附近的振荡问题。本文在Matlab/Simu⁃link中搭建了MPPT的仿真模型，并且将MPPT算法封装成了模块形式，通过仿真和实验验证了该方法具有可行性和有效性。

1 光伏电池特性

1.1 光伏电池等效电路

光伏电池是利用光生伏特效应的原理制成的，PN结是其工作原理的核心，每个光伏电池单元的外特性模型都可以看成是一个恒流源与一个正向二极管的并联回路。光伏电池的等效电路模型如图1所示。

由图1可得

式中：Iph为光生电流；Rs为等效串联电阻；Rsh为等效并联电阻；IL为光伏电池的输出负载电流；K为玻耳兹曼常数，K=1.38×10-18J/K；q为电子电荷，其中q=1.6×10-19C；t为光伏电池所处环境温度；Aph为光伏电池内部P-N结的曲线常数。

式（1）为超越方程，存在代数环，使仿真速度明显降低，文献[5]提出了一种实用的工程数学模型，该模型仅需要光伏电池生产商提供4个电气参数，短路电流ISC、开路电压UOC、最大功率点处对应的电压Um、最大功率点处对应的电流Im，其中U-I方程为

式中：ISC为光伏电池短路电流；UOC为光伏电池开路电压；C1、C2为两个中间变量；Um、Im分别为光伏电池在标准环境下最大功率点处的电压和电流。当环境改变时，光伏电池的4个参数，即在标准环境下的计算式为

式中：a=0.002 5；b=0.5；c=0.002 88；Δt=t-tref， tref=25℃；光辐射量差值为，。在标准环境下，Um=53.5 V，

1.2 光伏电池输出特性曲线

通过式（2）、式（5），在Matlab中编写S函数，得到光伏电池U-I和P-U的特性曲线，如图2所示。

2 BOOST电路

DC/DC变换器中升压变换器BOOST和降压变换器BUCK（buck converter）的效率是最高的[6]，但BUCK是一种降压型变换器，不易实现并网，且要始终工作在断续状态，因此必须用到电容器，电容处于长时间充放电状态，整个电路的可靠性将降低。BOOST变换器是升压型变换器，它可以工作在电感电流连续的模式下，电路中电感L的纹波电流很小，因此，BOOST电路避免了电容引起的各种问题[7]。所以本文采用BOOST变换器来实现MPPT的功能。图3为BOOST变换器电路。

设开关管的开关周期为TS，占空比为D，导通时间为ton。当0＜t＜DTS时，T导通，电感L电流增量为。当DTS＜t＜TS时，T截止，电感L电流减小量为。因为，可得。若BOOST变换器转换效率为100%，即前后的功率保持不变，则，所以等效电阻为

由式（6）可知，调节占空比D可改变其阻抗的大小[8]。使BOOST电路的Req与光伏阵列输出阻抗相匹配时，光伏阵列将输出最大功率。

BOOST电路应用到光伏系统中，实现最大功率点跟踪的原理如图4所示。

3 基于滞环比较的变步长扰动观察法

3.1 滞环比较法的原理

滞环比较法[9]是以当前的工作点为中心，两边各取一点构成滞环。通过比较3点的功率值的大小，来确定下一个采样周期扰动电压的方向。

滞环比较法的思路是在进行MPPT时，以当前工作点A为中心，两边各取一点B、C构成滞环，从A点出发，按照扰动方向扰动至B点，再反向2个步长扰动至C点。A、B、C点对应的功率分别为PA、PB、PC。相邻两点功率值进行比较，每组比较结果有大于、小于、等于3种情况，若设PA＞PC时为“正”，PB≥PA时为“正”，其他情况为“负”，所以总共有9种可能情况。其9种情况如图5所示。

滞环比较法的原则如下。

原则1若二次扰动功率比较均为正，则电压按照原来方向扰动。

原则2若二次扰动功率比较均为负，则电压按照反方向扰动。

原则3若二次扰动功率比较有正有负，则电压值不变，此时说明在最大功率处或者是外界光照强度发生突变。

由以上分析可知，当电压到达MPP处时，停止扰动，抑制了误判和振荡现象，可以看出滞环比较法是一种较理想的算法，然而定步长的滞环比较法不能同时兼顾跟踪速度和稳态精度，所以需要结合变步长的算法。

由式（2）、式（5）编写S函数，用Matlab仿真可得到光伏阵列的d P/d U-U曲线，如图6所示。

由图6可以看出，d P/d U曲线的特点为

式中，λ为正数，即变步长速度因子，用于调整跟踪速度。引入后，当工作点离最大功率点较远时，电压扰动步长较大，当工作点在最大功率点时，电压扰动步长为零。综合以上分析，此方法与滞环比较法相结合，可以解决传统定步长滞环比较法的缺点。

3.3 基于滞环比较的变步长扰动观察法

为了避免系统启动时由于采样误差造成的影响，本文采用恒定电压法CVT（constant voltage method）启动，将滞环比较法与变步长扰动观察法相结合，来进行最大功率点跟踪，其具体流程如图7所示。

具体思路如下：

首先采样开路电压，采用CVT启动，检测当前电压和电流，计算其功率值，初始化变量f，通过值来确定扰动步长，然后，确定当前点两侧电压和电流，计算它们的功率。

每一周期开始时，令f=0，通过滞环比较法，来进行功率值比较。

当PK+1≥PK＞PK-1，令f=2，则下一个周期电压参考值为UK+1。

当PK+1＜PK≤PK-1，令f=-2，则下一个周期电压参考值为UK-1。

其他情况下，令f=0，则下一个周期电压参考值为UK。最后，在该周期结束时，将f清零，执行下一周期命令。

4 光伏电池MPPT仿真环节

本文MPPT算法采用基于滞环比较的变步长扰动观察法[11]，光伏电池参数为UOC=22V、ISC=2.52A、Um=17.3V、Im=2.31A，DC/DC模块采用BOOST电路，MPPT控制器的输出经过处理得到这一时刻的占空比，再与三角波比较得到PWM信号，作为开关管的控制信号。BOOST电路中电感L=25μH，电容C1=680μF，负载电阻Rl=120Ω，直流电容C=250μF。

系统仿真的时间设为0.1 s，使用变步长ode23tb进行仿真，把系统的每种步长和绝对误差设为auto，相对误差设为1×10-3，最后进行仿真BOOST-MPPT仿真模型如图8所示。

环境温度为25℃，光照在0.04 s时从1 000W/m2突变到600W/m2，光伏电池输出电压、功率仿真波形如图9所示。

从图9中可看出电池输出电压在0.02 s前就达到了稳定，体现了CVT启动的优势，采用滞环比较变步长法使电压工作在Um处，在0.04 s时光照强度突变引起电压减小，功率也减小。可以看出电压工作在此方法下有良好的启动性能，当外界环境发生变化时，可快速调整并跟踪到MPP。

5 实验

为了验证所提出的改进型扰动观察法的有效性，在1台DSP（TMS320F28335）控制的DC/DC变换器上进行了实验。实验所采用的光伏阵列在标准环境下，开路电压21.6 V，最大功率点电流6.9 A，短路电流8.9 A，最大功率点电压17.3 V，扰动周期为0.25 s。图10为传统扰动观察法和改进型扰动观察法的实验波形。由图可看到，在光照强度增加的情况下，改进型扰动观察法比传统扰动观察法的响应时间减少了8.8 s，仅为1.2 s。可以看出所提算法能准确地跟踪到MPP，比传统扰动观察法的动态性能好。

6 结语

本文首先建立了光伏电池的工程实用模型，通过得出的仿真曲线深入了解了光伏电池随温度和光照强度变化的特性。然后分析了BOOST变换器实现MPPT原理，提出了一种基于滞环比较的变步长扰动观察法。最后通过仿真和实验验证了该方法的可行性，且该方法具有很好的响应速度和稳态精度，具有较好的实用性。

[1]赵争鸣，陈剑，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电最大功率点跟踪技术[M].北京：电子工业出版社，2012.

[2]周林，武剑，栗秋华，等（Zhou Lin，Wu Jian，LiQiuhua，etal）.光伏阵列最大功率点跟踪控制方法综述（Survey ofmaximum power point tracking techniques of photovol⁃taic array）[J].高电压技术（High Voltage Engineering），2008，34（6）：1145-1154.

[3]徐晓淳，刘春生，李锋（Xu Xiaochun，Liu Chunsheng，Li Feng）.光伏系统MPPT的改进模糊控制（Improved fuzzy controlon MPPTmethod of solar system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（9）：81-84.

[4]Abdelsalam Ahmed K，Massoud Ahmed M，Ahmed She⁃hab，et al.High-performance adaptive perturb and ob⁃serve MPPT technique for photovoltaic-based microgrids [J].IEEETranson Power Electronics，2011，26（4）：1010-1021.

[5]谢明达，李景天，廖华，等（XieMingda，Li Jingtian，Liao Hua，etal）.基于matlab/simulink的太阳电池模型（solar cellsmodel Based on Matlab/Simulink）[J].云南师范大学学报：自然科学版（Journal of Yunnan Normal Universi⁃ty：Natural Science Edition），2014，34（5）：32-35.

[6]陈堂敏（Chen Tangmin）.基于自适应电导增量法的最大功率跟踪（Incrementalmethod based on adaptive conduc⁃tance of MPPT）[J].电源技术（Chinese Journal of Power Sources），2013，137（1）：65-68.

[7]刘雅莉（Liu Yali）.基于分布式光伏发电系统最大功率点跟踪特性研究（Study on Characteristics of Maximum Power Point Tracking Based on Distributed Photovoltaic Power Generation System）[D].昆明：云南师范大学物理与电子信息学院（Kunming：Institute of Physical and Electronic Information，Yunnan NormalUniversity），2014.

[8]刘琳，陶顺，郑建辉，等（Liu Lin，Tao Shun，Zheng Jian⁃hui，etal）.基于最优梯度的滞环比较光伏最大功率点跟踪算法（Improvedmaximum power point tracking algo⁃rithm for photovoltaic generation based on combination of hysteresis comparison with optimal gradient）[J].电网技术（Power System Technology），2012，36（8）：56-61.

[9]刘邦银，段善旭，刘飞，等（Liu Bangyin，Duan Shanxu，Liu Fei，etal）.基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪（Photovoltaic arraymaximum power point track⁃ing based on improved perturbation and observationmeth⁃od）[J].电工技术学报（TransactionsofChina Electrotech⁃nical Society），2009，24（6）：91-94.

[10]黄舒予，牟龙华，石林（Huang Shuyu，Mu Longhua，Shi Lin）.自适应变步长MPPT算法（Adaptive variable step size MPPT algorithm）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedingsof the CSU-EPSA），2011，23（5）：26-30.

[11]Jiang JoeAir，Huang TsongLiang，Hsiao YingTung，et al. Maximum power tracking for photovoltaic power system [J].Tamkang Journal of Science and Engineering，2005，8（2）：147-153.

App lication of Im proved Perturbation and Observation M ethod to Photovoltaic MPPT

RONGDesheng，LIU Feng
（SchoolofElectricaland ControlEngineering，Liaoning TechnicalUniversity，Huludao 125105，China）

In order to solve the problems of traditional perturbation and observationmethod，such as low steady-state accuracy，poor response speed and high possibility ofmisjudgment，an improved variable step perturbation and obser⁃vationmethod is proposed based on hysteresis comparison.The photovoltaic cells are studied and the principle ofmaxi⁃mum power point tracking（MPPT）with BOOST converter is discussed.The simulationmodelofMPPT isestablished in Matlab/Simulink，and the feasibility of the proposedmethod is verified.DSP（with chip TMS320F28335）was used in the experiment.The proposedmethod can quickly track themaximum power point，and ithas good starting characteris⁃tics，which effectively eliminates themisjudgmentand the oscillation in the vicinity ofmaximum power point.

boost converter；hysteresis comparison；variable step perturbation and observationmethod；maximum power point tracking（MPPT）；photovoltaic

TM615

A

1003-8930（2017）03-0104-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.017

荣德生（1975—），男，博士，副教授，研究方向为节能型电力电子技术及应用的研究。Email：93847455@qq.com

2015-07-13；

2016-05-30

刘凤（1990—），女，硕士研究生，研究方向为光伏电系统最大功率点跟踪。Email：345178299@qq.com