一种用于光照快速改变光伏MPPT控制算法

杨海柱， 刘 洁， 袁松振， 曾志伟

（1.河南理工大学电气工程与自动化学院，河南焦作 454000；2.河南理工大学计算机科学与技术学院，河南焦作 454000；3.六盘水师范学院物理与电子科学系,贵州六盘水 553004）

最大功率点跟踪 (maximum power point tracking，简称MPPT)技术，是光伏发电系统中的关键技术之一。光伏电池输出的最大功率点不但取决于光照，还有环境温度条件。光伏电池工作最好结果就是负载匹配在电池输出的最大功率点处。但是，由于最大功率点主要取决于光照强度，因此在不同的光照强度下很难达到最佳匹配。目前的MPPT控制方法主要有固定电压（CVT）法、扰动观察（PO）法、增量电导（IC）法[1-3]，或是在这几种方法基础上进行的改进算法。CVT算法的缺点是MPPT精度差，控制适应性差；PO算法优点是算法简单，但缺点是稳态时，只能在最大功率点附近振荡运行，使得输出功率具有振荡；IC算法，包括变步长IC算法，尽管考虑到了适应环境变化，但是由于控制作用较强，因此输出功率有所波动，控制算法较复杂[4]。本文提出一种新型的MPPT控制算法，在CVT和PO的基础之上，添加光照环和温度环，并且针对PO的不足引入一个判别阈值，使得系统能够快速启动的同时，还能适应光照和温度剧烈变化，并且减小输出的震荡。

1 光伏阵列的特性

太阳电池是一种光电转换的半导体装置，其产生的电压和电流分别受温度和光照强度的影响。当受光照射的太阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压。这时太阳电池的工作情况可用图1所示的等效电路来描述。

图1 太阳电池等效电路

当流进负载R0的电流为I0，负载的端电压为V0时，由图1可得到如下的解析式：

式中：Ig为光生电流；Id为二极管饱和电流；q为电荷电量(l×10－19C)；A 为 二 极 管 因 子 ；K 为 波 尔 兹 曼 常 数(1.38×10－23J/K)；T 为开氏温度，K；V0为电池的输出电压；I0为电池的输出电流；Rs为等效串联电阻；Rsh为等效并联电阻。

根据光伏电池等效电路图建立其仿真模型，调节电阻负载的大小进行采样，当光照和温度变化时光伏阵列的特性曲线如图2所示[5]。

图2 光伏电池特性曲线

从图2中可见光伏电池的输出特性受光照强度和温度的影响极大。每条特性曲线对应一个最佳的工作点。MPPT的作用就是在系统运行的时候找到这个运行的最佳工作点，使得光伏电池板输出当时的最大功率。现有的一些常用MPPT算法在光照强度变化不大的情况下，基本能满足要求，但是如果在夏天或天气多变等一些多云天气里，很多情况下，跟踪效果不理想，因此在进行MPPT算法研究的时候，有必要把天气瞬变和温度条件考虑进去。

2 最大功率点跟踪（MPPT）

本文提出的MPPT算法如图3所示。系统启动的时候，能够直接检测到光伏电池的开路电压Voc，此时，应用CVT算法的快速性，直接设置参考电压Vref为0.78Voc[4]，这样就能够保证系统启动的快速性，但是不能保证准确性。系统经过CVT启动之后，在对MPP进行准确的跟踪。此时系统包含两个环节：光照环和温度环。通过检测电流的变化大小进行确定外界环境的变化强度，以此决定系统算法使用温度环或是光照环。其中ε是设定的阈值。

图3 新型MPPT控制流程图

光照环：如图4所示，当光照强度从1 000mW/cm2突降到200mW/cm2的时候，系统的工作点会从“a”点转到“b”点。这是因为系统电压不能突变，而此点的电压对应于光照强度为200mW/cm2时的特性曲线上的“b”点。“a”点是光照强度为1 000mW/cm2时的最大功率点，“c”点是光照强度为200mW/cm2时的最大功率点，“b”点是仅仅是在“c”点右边的一点，并不是最大功率点。为了避免系统跟踪失败，MPPT算法就要不断地减小参考电压，使得系统工作点不断地向左滑动，直到靠近了新的最大功率点“c”；相反的，如果光照强度从200mW/cm2瞬变到1 000mW/cm2，系统工作点就会从“c”变到“d”点，然后系统的参考电压就会不断地增加，直到系统工作点靠近到“a”点——1 000mW/cm2光照强度下的最大工作点。Δv1是扰动总量，取决于功率变化的大小，也就是其值是由功率曲线的斜率确定的。这样就能降低光伏电池的功率损失，同时还能使系统快速地适应光照强度的剧烈变化。

图4 MPPT跟踪示意图

温度环：当光照基本保持恒定的时候，也就是图3所示的算法中，两周期电流差值小于设定阈值时，温度环开始工作。因为风或者一些其他的大气条件的变化，导致光伏电池温度改变，从而改变了电池输出的特性，这种变化有时候比光照带来的变化更值得关注。从图2所示的光伏电池输出特性曲线图上可见，当外界温度变化导致光伏电池温度改变的时候，其最大功率工作点也会随之发生变化。因此，为了使光伏电池工作在最佳输出状态，外界环境温度也要考虑进MPPT算法中。

环境温度的变化幅度不会太大，故温度环使用的是常用的PO法，其算法简单，实现较为方便。但PO法在稳态时，只能在最大功率点附近振荡运行；存在着因功率跟踪过程中非单调性造成的误差；存在着因PO法自身算法的缺陷，而在日照强度变化时产生跟踪错误[5-6]。

对PO法的改进即在其基础上加上判别阈值。当工作点已经跟踪到最大点附近，系统导数值已经接近零，即电池电压特性曲线工作点的切线将近水平，说明工作点已经无限接近最大功率点，而因为环境干扰或器件精度的影响，导数值不太可能等于零，系统将会继续跟踪，在最大点附近来回跳动，输出电压也会随之波动，影响功率输出稳定性。故算法中设置一个阀值δ，当功率对电压的导数值的绝对值小于δ时，即图3所示的算法中|D|＜δ时，认为已经跟踪到最大功率点，暂停对工作电压的扰动，但程序还继续对系统进行监测，当|D|＞δ时，恢复对电压进行扰动跟踪。阈值的使用可使系统输出更稳定。

3 仿真研究

为了验证MPPT算法的有效性，基于Matlab/Simulink软件，对其在日照和温度两个方面的变化进行了仿真。以实验室现有的Sharp NT-R5E3E 175 W太阳电池板为输入仿真对象，电池参数 为 ：Umpp=35.4 V，Impp=4.95 A，Uoc=44.4 V，Isc=5.55 A。光照环：温度为25℃，设置初始光照强度为1 000mW/cm2，0.1 s 的时候光照突变到 600mW/cm2，0.2 s 时在突变到1 000mW/cm2；温度环：光照强度为1 000mW/cm2，设置初始初始温度为35℃，此处使用夸张的仿真手法，模拟环境温度在0.1 s的时间内，线性减小到25℃。搭建的仿真电路如图5所示。

图5 新型MPPT仿真图

图6为PO算法光照强度突变时输出功率的仿真结果。通过图6可见，系统启动时有振荡，达到最大功率点175W之后具有小幅的振荡，在0.1 s的时候，光照突降，系统还能跟踪上MPP，但是在0.2 s的时候，光照突升，系统在开始的时候跟踪失败，之后才最终跟踪到MPP，但是，输出的功率具有振荡。图7为带有温度环和光照环的新型MPPT算法在光照突变时输出功率，该算法启动时间不到0.025 s，且启动平稳，之后在温度环的控制之下稳定输出在175W的最大功率上；光照突降时，光照环开始工作，在0.05 s之内使系统稳定工作在最大功率点上。0.2 s时，光照强度突然升高，此时光照环同样可在0.05 s之内使系统稳定在175W的最大功率点上工作。可见新型MPPT算法启动性能好，应对光照突变能力强，稳定之后震荡小。

图8为温度变化时的输出功率的仿真结果，因为温度不能突变，故此加上线性输入，使得温度呈一个简单的线性变化，即：温度在0.1 s之内，从35℃降到25℃，通过图8可见，系统跟踪效果良好，在温度达到25℃时，系统跟踪到输出功率为175W。跟踪效果好。

图6 PO算法下光照突变时输出功率

图7 改进算法下光照突变时输出功率

图8 改进算法下温度变化时输出功率

4 结论

光照强度和温度对太阳电池的输出特性影响巨大，为了快速、准确地跟踪到最大功率点，在算法中加入CVT启动、光照环、温度环，同时在温度环中使用的PO算法中加入判别阈值，使其输出波动减小。结果表明，系统启动速度快，同时当外界环境变化的时候，也能快速、准确地跟踪到最大功率点，并且整个系统工作稳定。

[1]赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005：109-111.

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[3]栗秋华，周林，刘强，等.光伏并网发电系统最大功率跟踪新算法及其仿真[J].电力自动化设备，2008，28（7）：21-24.

[4]茆美芹,余世杰,苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型[J].系统仿真学报，2005，17(5)：1248-1251.

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