消除误判的改进变步长INC方法

周涛 胡鹏

（南京熊猫电子股份有限公司 江苏省南京市 210002）

在独立光伏发电系统中，太阳能电池板可作为一种媒介，用来将太阳能转换为直流电。如果考虑到实现并网的话，则可利用DC-AC 逆变器，将太阳能电池板输出的直流电能转换成交流电[1]。太阳能电池不仅具有非线性特性，而且还容易受到外界环境的影响。如果光伏发电系统中有部分电池板被遮挡，就会出现其特性曲线的多峰值情况，本文此处不再赘述，具体可参见相关文献[2,3]。为了提高发电系统的效率，并减小外界环境的变化对输出功率的影响，人们对MPPT 算法的研究也越来越深入。但是，在光照强度变化时，传统INC 算法与变步长INC 算法均会出现误判现象，导致追踪速度减慢[4]。

针对此问题，本文提出了一种消除误判的改进变步长INC 算法，可以利用对连续两次功率变化量的判断，准确地调整占空比的变化方向，进而消除误判。同时，将本文所述的方法与传统INC 算法及变步长INC 算法进行仿真比较，其结果表明改进变步长INC 算法不仅能消除误判，而且还可改善跟踪效率。

1 电池模型

光伏电池可通过光生伏特效应将太阳光转换成电能，其数学模型为[5]：

式中，Iph为光生电流，Id、IRp分别为二极管VD、并联电阻Rp上的电流值，其计算公式见式（2）及式（3）。

式中，Ud与Io为别为VD的电压与反向饱和电流；A为理想因子；T 为绝对温度；K 为波尔兹曼常数；q 为电子电荷，RS为串联电阻。

由于太阳能电池的内部参数（Io、A、Rs、Rp等）较难确定，导致无法使用式（1）～式（3）构建仿真模型[5]。所以，本文利用文献[6]的所提出的工程数学模型，搭建出光伏组件仿真模型，相关特性曲线如图1所示。从图中可知，均匀光强下的P-V 特性曲线具有非线性，同时只有一个峰值点，该点即为最大功率点MPP。

2 改进变步长INC方法及其仿真

2.1 改进变步长INC方法介绍

图1：光伏组件P-V 特性曲线

图2：改进变步长INC 算法

当功率发生变化时，固定步长INC 与变步长INC 算法均有可能发生误判现象[7]。如图1所示，假设光伏组件当前工作在A 点，那么上述算法会增大电压，使工作点向光强为1000W/m2的最大功率点MPP1 靠近。在工作点从A 点向B 点移动的过程中，若光强突然下降到800W/m2，便会使得工作点移动到了C 点。此时，由于C 点的功率值小于A 点，即PC＜PA，上述MPPT 算法便将工作点反向移动，即减小电压，从而使得工作点向远离800W/m2的最大功率点MPP2 的方向即向D 点的方向移动。如此，由C 点向D 点的工作点移动即属于误判，将势必导致功率损失。为了消除此类误判，本文提出的改进变步长INC 算法，具体流程如图2所示。

当该改进变步长INC 算法检测到连续两次功率之间的变化量满足一定条件时，例如流程图中所示|ΔP|＜P1时，则认为此时工作点到达了最大功率点附近的一个小范围之内，并将F 值置1。当该改进算法检测到|ΔP|＞P1时，它会继续判断功率变化量是增加还是减少以及F 值是否为1，若F 值为1，说明光强发生了变化，导致功率变化，此时改进算法会根据ΔP 值改变slope 值，并将其保持两个周期，如n=1；否则，说明此时功率的变化只是占空比的常规调整过程，只需调整占空比使得ΔP＞0 即可。

图3：MPPT 算法仿真图

2.2 仿真分析

为了验证本文所述改进变步长INC 算法的有效性和可行性，在Matlab 仿真平台上将其与传统INC 算法以及变步长INC 算法进行比较。其中，传统INC 算法的占空比扰动步长为0.023；而变步长INC 方法的扰动因子选取为0.002，最大扰动步长设为0.05。

如图3所示，本文给出了上述三种算法的仿真结果。其中，图3(a)和图3(b)分别为其占空比曲线和功率曲线。由图看到，仿真时间可分为三个区间，其中0～ 1.45s 为第一区间、1.45s～ 2.90s 为第二区间、2.90s～ 4.35s 为第三区间，三个区间的辐照强度S 分别为300W/m2、850W/m2和600W/m2。从图3(a)中容易发现，传统INC算法和变步长INC 算法在每次光强发生变化时，均有一个周期的误判现象。如在1.45s 时刻，INC 算法减小了占空比，但实际应增大占空比去追踪最大功率点；同样地，在2.90s 时刻，光照强度减小时，变步长INC 算法检测到功率下降，但错误地反向调整占空比，使之增大，然后占空比整体的调整速度变慢，进而导致较大的功率损失，如图3(b)所示。

由图3 可知，本文所提出的改进变步长INC 算法在光强变化阶段，均未出现误判现象，并且在光强下降时，对占空比进行了合适的步长调整，及时加快了跟踪速度的同时，减小了功率损耗。

3 结语

传统INC 算法、变步长INC 算法在辐照强度突然变化下均有可能发生误判现象，为了解决此问题，本文提出了一种改进变步长INC 算法。在光照强度突然变化时，尤其是光强下降阶段，不仅能在一定程度上提高跟踪速度，而且还避免了误判现象的发生。