基于占空比扰动法的最大功率点跟踪研究

李加奎

（安徽理工大学，安徽 淮南 232001）

由于光伏电池组件的P-V特性是具有单峰的非线性曲线，由其串联组成的光伏阵列最大功率点也会受到外界环境温度和光照强度等条件的影响。因此，如何提高最大功率点成为光伏发电系统必须面对的问题。

从总体上看，光伏阵列的输出功率P呈单峰形状，即开口向下的抛物线。在峰值点处，外部负载电阻和光伏组件内阻相等，这是光伏阵列最大输出功率时的特点。因此，光伏阵列最大功率点跟踪的实质是在光伏阵列和负载之间加入阻抗变换器，利用相关算法实时控制阻抗变换器，使得变换后的等效负载阻抗总是等于光伏阵列的内阻，从而保证光伏阵列一直工作在最大功率点附近。

传统的最大功率点跟踪方法有定电压法，开路电压比例系数法，扰动观察法，增量电导法等，这些方法在最大功率点的跟踪精度和跟踪速度这两个方面无法达到两全其美，只能在某一个方面的跟踪效果好，但是在另一个方面跟踪的效果不好。本文介绍的变占空比扰动法在最大功率点跟踪速度和跟踪精度两个方面都比扰动法在这两个方面达到的效果都好，做到了两者的兼顾。

1 扰动法和变占空比扰动法流程

扰动观察法，又称为爬山法，由于其结构简单，需要测量的参数较少，所以这种方法被普遍用于光伏电池的最大功率点跟踪。其原理就是引入一个小的变化，然后进行观测，并与前一个状态进行比较，通过比较的结果就可以调节电池的工作点。具体做法是通过改变光伏电池的输出电压，并实时地采样光伏电池的输出电压和电流，通过DSP计算出功率，与上一次的结果进行比较，如果小于上一次的值，则说明本次控制使得输出功率降低了，应该控制使得光伏电池输出电压按原来相反的方向变化，如果大于，则维持原来增大或者减小的方向，这样就保证了使得太阳能输出向增大的方向变化。如此反复的扰动、计算、比较，使光伏电池板达到最大功率点，实现最大功率输出。扰动观察法的流程如图1所示。

图1 扰动观察法控制流程

图2 引入曲线变化率的变占空比算法流程

根据相关资料可以查得基于固定占空比的P-D特性曲线如图3所示。

图3 光伏系统P-D曲线

当工作点位于Pk点时，因为在最大功率点左边时dp/du>0，当工作点由PK运动到Pk－1，ΔD=Dk－1－Dk<0，此时ΔP=Pk－1－PK<0，说明ΔD的运动方向与实际需要的运动方向相反，此时在Pk工作点处，ΔD的运动方向应该是增大的方向。同理，在最大功率点右边ΔD的运动方向与ΔD在最大功率点左边的运动相反。

在图2变占空比算法流程图中，引入一个极小的参数a，令a=tan｜ΔP/ΔD｜，因为在tan｜ΔP/ΔD｜是P-D曲线的变化率，而且在最大功率点左侧达到最大功率点之前，tan｜ΔP/ΔD｜是一个先大后小的正数，引入曲线本身的变化特性作为变步长，可以很好地跟踪曲线的变化，进而能够很好地跟踪光伏组件的最大功率点。

2 仿真对比分析

基于变占空比扰动法的仿真模型如图4所示，在基于变占空比扰动法的输出电压、电流、功率的波形如图5所示，基于扰动观察法的输出电压、电流、功率的波形如图6所示。

3 仿真分析

通过图6可以看出，扰动法在最大功率的跟踪速度可以达到要求，但是起始阶段在跟踪的过程中出现纹波，说明不能达到两者兼顾。与图5相比，在起始阶段的跟踪精度，图6几乎没有纹波波动，说明占空比扰动法比扰动法更具有优越性，占空比扰动法实现了最大功率的跟踪速度和跟踪精度的两者兼顾。

图4 基于变占空比扰动的仿真模型

图5 基于占空比扰动的输出U、I、P波形

图6 基于扰动法的输出U、I、P的波形

[参考文献]

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