一种基于MPPT技术的太阳能取电改进算法

杨蓬 侯松 李坤 张浩

（山东智洋电气股份有限公司，山东淄博255000）

0 引言

太阳能是一种可再生能源，具有取电便利、无污染、可再生和经济性高等特点，因而得到了广泛应用。图1所示为利用太阳能板和蓄电池搭建的直流供电系统原理框图，其中太阳能板利用半导体材料将光能转换成电能，并给蓄电池充电，保证用电负载工作；太阳能控制器起到太阳能取电控制、蓄电池充电控制及状态监测、负载供电控制及保护等重要作用。

图1 太阳能取电原理框图

但由于受到光照强度、温度和负载设备的影响，太阳能板的输出特性表现为非线性模式，可以输出不同的电压和不同的功率。而为了提高太阳能利用率，需要寻找当前状态下的最大输出功率点，即实现最大功率点跟踪（MaximumPowerPoint Tracking，MPPT）。

本文通过对太阳能板的研发、控制和大量实验，找到了一种基于扰动观察法的改进算法，该算法突破了以往难以确定步长的瓶颈，大大提高了蓄电池充电效率，在保证蓄电池性能和负载正常工作的情况下，更好地实现了最大功率点追踪。

1 MPPT技术研究

1.1 光照强度的影响

如图2所示，在环境温度一定时，太阳光照强度越大，太阳能板最大输出功率越大，因此最大输出功率点跟光照强度有直接关系。

1.2 环境温度的影响

如图3所示，在光照强度为1000W/m2时，环境温度越高，最大输出功率越小，因此最大输出功率点跟环境温度有很大关系。

1.3 复杂环境的影响

如图4所示，在浮云遮挡、电池板表面灰尘等多种情况下，太阳能板的输出功率特性曲线变得复杂，呈多极值点，因此影响当前输出功率的因素很多，需要寻找当前状态下的最大功率点。

图2 相同环境温度、不同光照强度下最大功率点对比

图3 相同光照强度、不同环境温度下最大功率点对比

图4 复杂情况下输出功率

2 优化的扰动观察法工作原理

传统扰动观察法通过检测主回路直流电压及输出电流，计算出太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。将扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流、电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加，下一周期继续朝同一方向扰动；反之，朝反方向扰动。如此反复进行着扰动来使太阳能光电板输出达到最大功率点，其算法流程如图5所示。

图5 扰动观察法流程图

经过研究和测试，在扰动观察法基础上做了优化和改进。引入一个参考电压，通过比较结果对参考电压进行调节，得到距离最大功率点最近的电压值。而前文所述扰动观察法步长难以确定的问题，可以通过在每个MPPT周期中，根据采集到的太阳能电池输出电压与电流，控制算法计算相邻两次采集量的变化量与变化方向，再重新调整步长值，改变下次占空比，从而在最短时间内使转换电路输出电压达到最大功率点处电压。

对于后级的充电电路，常见的基本电路结构有三种，BUCK、BOOST和BUCK-BOOST，其中最常用的是BUCK电路。以BUCK为例，作用有两个，一个是改变电池板电压，使之工作在最大功率点（MPP）；另一个是控制输出电压，使之与蓄电池的充电曲线一致，在保护蓄电池的基础上实现能量最大化的利用。

经过优化后的扰动观察法，除了能提高跟踪速率外，还能有效地减少稳态震荡，及时跟踪到最大功率点，提高充电效率和太阳能的利用率。

3 仿真试验和结论

通过PSIM仿真实验，搭建由PVS1000光伏模拟器、太阳能控制器和3节12V串联蓄电池组成的实验平台。设置光伏模拟器Pmax=50W，Um=22.5V，Im=4A，采样时间t=3min，每次充电实验是在蓄电池初始状态相同的条件下进行的。首先用光伏模拟器模拟光照强度变化缓慢的晴天环境，实验结果如图6所示。

图6 晴天环境模拟

再用光伏模拟器模拟变化剧烈的多云天气进行实验（模拟光照强度均按1000W/m2到1200W/m2再到600W/m2规律变化），结果如图7所示。

图7 多云环境模拟

由此可以得出，在充电电压相同的情况下，MPPT充电系统比普通充电方式电流大；图6与图7的充电电压曲线显示，MPPT充电系统比普通充电方式用时分别缩短了50min与34min，因此MPPT充电系统比普通充电方式用时平均缩短了42min，充电效率提高了约22%。

4 结语

实验表明，本文设计的基于MPPT技术的改进算法能大大减少最大功率点追踪时间，保证电池性能及负载正常使用的情况下，快速寻找最大功率点，大大提高太阳能利用率。