国内光伏发电双模式MPPT控制算法研究现状

国内光伏发电双模式MPPT控制算法研究现状
作者：胡长武滕宁宁
来源：《中国科技博览》2013年第18期
【分类号】：TM615；TM464
摘要：近年来，国内出现了许多双模式MPPT算法，即把各种单一的算法两两相结合而改进的新算法。

这些新算法比单一的算法更能满足设计的快速性、稳定性和鲁棒性。

本文就这些双模式MPPT控制算法控制原理及优越性进行分析，并指出其不足。

关键字：光伏发电；MPPT；双模式MPPT算法
1.太阳能电池特性分析
许多文献都介绍了如图1.1和1.2所示的太阳能电池的单二极管等效电路模型，以及图1.3中的光伏电池输出特性曲线。

图1.1为理想情况下忽略了光伏电池自身阻抗的电路图，这是因为在图1.2中的电阻RS为低阻值，一般数量级，而RSH为高阻值，数量级为，所以两个内阻RS和RSH一般忽略。

2.双模式MPPT算法研究
传统的单一的MPPT算法思路简单，容易实现，然而已不能满足人们所期望的精度、快速性和鲁棒性。

近年来，出现了许多双模式MPPT控制算法，即把单一的各种算法两两相结合的改进的新算法，扬长避短，提高了光伏电池的效率。

这些算法多是在基本算法的基础上结合其他算法改进的，现就其原理和特点和发展现状进行研究。

2.1短路电流法结合扰动观察法
短路电流法结合扰动观察法，它实质是扰动观察法结合短路电流法的改进的新算法。

由于传统的扰动观察法在日照稳定情况下制效果较好，对光伏电池的利用效率较高，但存在最大功率点处振荡的现象。

此外，对日照突变情况下会失去对MPPT的控制能力。

而短路电流法控制精度差，但是在外部环境突变情况下，仍能使光伏电池输出功率跟踪日照的变化。

为了使光伏发电系统能快速响应日照变化，且能充分发挥光伏电池的作用，将短路电流法和扰动观察法结合形成双模式MPPT控制方法。

它结合了这两种方法的优点，该方法具有跟踪外部环境变化快，最大功率点基本消除振荡现象，对光伏电池利用率高的优点。

其控制思想和实现原理如下：
当外部环境变化时，光伏电池的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用式
IMPP≈k×ISC（系数k的值取决于光伏电池的特性，一般取0.8左右）进行光伏电池输出功率的控制，因此只要知道ISC就能使光伏电池的输出功率重新接近最大功率点。

当系统实现短路电流法的控制目标后，通过小步长扰动观察法使光伏电池的工作点继续向最大功率点移动，最后稳定工作在最大功率点。

这种双模式MPPT控制方法能在日照快速变化下进行MPPT，且减小了光伏电池在最大功率点的振荡现象，这是它的优点。

然而传统的短路电流法是利用在辐照强度大于一定值并且温度变化不大时，才存在近似的线性关系IMPP≈k×ISC的，并且短路电流采样时需瞬间将光伏电池短路，对系统的运行存在干扰，降低了对光伏电池的利用效果。

针对这种缺点，采用使光伏电池工作在最大功率点左侧，在线获取短路电流的方法。

这是因为当光伏电池在最大功率点左侧的大部分区间时工作电流基本等于ISC。

虽然在双模控制方法中采用在线获得短路电流的方法很实用，但毕竟是一种近似关系，对系统的精度仍会产生影响。

同时当系统实现短路电流法的控制目标后，通过小步长扰动观察法进行最大功率跟踪。

小步长扰动观察法会对跟踪速度产生影响，同时并不能完全消除振荡。

2.2 恒定电压法结合电导增量法
结合恒定电压法和电导增量法，形成一种新的双模式MPPT控制方法。

这种控制方法集合了恒定电压法和电导增量法共同的优点。

既克服了恒定电压法在外界环境变化时不能工作在最大功率点处的缺点，同时也保留了电导增量法的准确性。

其控制思路与3.2中的算法极为相似。

在外界环境或负载突变时，先采用固定电压法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近，以保证跟踪的快速性。

在此基础上，为进一步提高对光伏阵列的利用效率，采用小步长电导增量法而采用变步长电导增量法，从而减小系统在最大功率点附近的波动。

文献中小步长电导增量法的控制思路是这样的，以改变DC-DC变换器的占空比来实现改变光伏阵列输出功率。

当增加占空比时，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续增加。

反之减小占空比。

占空比的改变值称为迭代步长△d。

通过对固定电压法、电导增量法以及两者的结合方法分别进行仿真，结果表明该种方法能够快速、准确地跟踪光伏阵列的最大功率点，减少了在最大功率点振荡的能量损失，提高了光伏发电系统的能量转换效率。

3.总结
通过研究这些双模式MPPT控制算法，可以得出结论，双模式MPPT控制算法比单一的MPPT算法更具优越性，无论是快速性、稳态性都有所提高。

如3.2中的双模式MPPT控制算法，集合了恒定电压法和扰动观察法的优点，不仅克服了恒定电压法在外界环境变化时不能工
作在最大功率点处的缺点，也克服了扰动观察法的稳态输出稳定性和动态跟踪速度的矛盾，既保证了快速性和稳定性，有增强了实用性。

本文还探究了一种三模式MPPT控制算法原理及优势，应用其进行MPPT时可以精确地找到光伏阵列在不同环境条件下的最大功率点，解决了扰动观察法电压震荡和恒电压法不能在环境条件改变时调整工作点的问题，提高了发电效率，同时具有很高的实用性。

最后，在本文对两模式MPPT控制算法综述和三模式控制算法的研究基础上，可以预测未来的MPPT控制算法必将朝着多模式的方向发展，并且不断地把智能化的控制算法应用其中。

参考文献
[1] 王丽萍，张建成.光伏电池最大功率点跟踪控制方法的对比研究及改进[J]. 电网与清洁能源.2011，27（2）：52-55.
[2] 崔雁松，刘南平，张乃栋..基于直线近似MPPT算法的太阳能智能供电系统[J].水电能源科学.2008，26（3）：201-203 .。