自适应最大功率点跟踪方法的仿真研究

自适应最大功率点跟踪方法的仿真研究

帅玲玲，王利平，何杲杳

（吉林市东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012）

摘要：针对观测扰动法的不足，通过深入分析太阳能光伏电

池的功率输出特性曲线，本文提出了一种基于观测扰动法的自适应最大功率点的跟踪控制方法。该方法响应速度快，模型简单，容易实现。通过引入一个变步长参数，可以实时依据功率变化差值来动态调整扰动步长，从而实现了最大功率点的自动跟踪。利用MA TLAB 7.2建立了系统模型并进行仿真，结果表明，该系统在日照强度大范围变化时仍然能够快速、准确地跟踪太阳能电池的最大功率点。

关键词：光伏电池；最大功率点跟踪；观测扰动法；DC/DC

0引言

随着全球经济的发展，能源问题日益尖锐，常规能源如石油、煤炭等消耗量的大规模增加，日益恶化的生态环境迫使世界各国开始积极寻找一条新的可持续发展的能源之路[1]。光伏电源具有无污染、无噪音、维护简单的优点，越来越受到关注，在未来的供电系统中将占有重要的地位。太阳能电池板的造价较高，初期投入较大，占整个光伏电源系统造价的比重很大且转化效率低。因此，如何在现有光电元件转换技术的基础上进一步提高光伏电池的转换效率，一直是光伏系统研究的重要方向。为了提高太阳能的利用率，对太阳能电池进行最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）是有效途径之一。目前最大功率点跟踪控制的方法有观测扰动法、爬山法、功率数学模型法、短路电流测试法及模糊控制、遗传算法控制等[2,3]。

针对观测扰动法存在的一些不足，本文提出了一种自适应最大功率点跟踪方法。采用该方法既解决了定步长时因外界条件变化大而造成的追踪速度慢的缺点，又避免了外界条件变化小时定步长参数过大引起的功率振荡。利用MA TLAB 7.2建立起仿真模型，核心是通过嵌入一个.M程序编写的模块来实现最大功率点的跟踪。仿真结果验证了此方法的可行性。

1光伏电源

光伏电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。通过大量的测试及计算可将光伏阵列的数学模型描述如下[4]：

()

{exp[]1}

s s

ph

sh

q V IR V IR

I I I

AkT R

++

=−−−（1）

3

11

[]exp[()]

GO

o or

r r

qE

T

I I

T Ak T T

=−（2）

1

[(298)]/1000

ph scr

I I K Tλ

=+−（3）

(298)

oc ocs T

U U K T

=+−（4）

表1光伏电池等效模型参数

I 输出电流

V 输出电压

I d反向饱和电流数量级为10-4A

q 电子电荷 1.6×10-19

k 玻尔兹曼常数 1.38×10-23

T 绝对温度t+273

T r参考温度301.18 K

λ光照强度

I scr标准条件下短路电流

I ph光照电流

GO

E硅的带宽 1.13e

I o T r下电池饱和电流

R s串联等效电阻

R sh并联等效电阻

A PN结理想因子 1.11

K l短路电流温度系数0.0017 A / °C

根据公式（1）～（4）可知，温度主要影响太阳能电池的输出电压，而日照强度主要影响输出电流。在不同日照强度和环境温度下，其输出特性曲线不同，且均为非线性。在一定的日照强度和环境温度下，只有使其工作在特定的电压或电流下才能使其输出最大功率。但相对于光强的变化来说，光伏电池表面温度的变化是非常缓慢的，因此，在分析过程中，假定光伏电池的表面温度保持不变。

2 DC/DC模块设计

由于太阳能光伏阵列的输出电压偏低，为得到预期的电压值通常连接一个BOOST升压变换器，其作用是通过控制电压的方法将不控的直流输入

1

2

变为可控的直流输出。且有研究结果[9]表明升压式变换器比降压式变换器效率高，降压式转换器对占空比的控制能力是有限的；升压式转换器的能量效率可以随占空比的变化而变化。

假设变换器中器件均为理想元件，不消耗任何能量，仅把光伏电池的输出能量传递到后级电路中，从BOOST 输出端看，它是个受控电压源。由于它工作在电流连续模式，其工作特性只与电源及BOOST 电路自身、功率开关频率及占空比有关，后级负载的变化不会影响其工作。

图1 DC/DC 工作原理图

DC/DC 变换器工作原理[5]如图1。当开关S 导通时，输入电压V in 向电感L 充电，同时电容C 上的电压向负载供电，由于电容C 值很大，因此输出电压基本保持恒定，记为V o 。假设开关S 开通时间为t on ，则电感L 上的能量为V in ﹒I L ﹒t on 。当开关S 关断时，输入电压和电感L 一起向电容C 充电，并向负载提供能量。当假设开关关断的时间为t off 时，则电感L 释放的能量为 (V o -V in )﹒I L ﹒t off 。当电路工作处于稳态时，一个周期内电感L 上储存的能量与释放的能量相等，即：

()in L on o in L off V I t V V I t ⋅⋅=−⋅⋅ （5）

由上式可以得出：

/1/(1)o in V V D =−，（01D <<） （6）

式中D = t on /(t on + t off )，D 为占空比。当占空比改变时，输出电压也随之改变。太阳能电池输出与升压变换器相连接，其中，通过改变变换器开关的PWM 占空比可以控制功率通量。

3观测扰动法

光伏电池输出功率是外界温度、日照强度等因素的非线性函数，在同一外部条件下，光伏电池存在唯一最大功率输出点。为充分发挥光伏电池的效能，实际应用中要使光伏电池始终工作在最大功率点。

观测扰动法（Perturb & Observe algorithms P&O ）是目前实现最大功率点跟踪（MPPT ）常用的方法之一。其原理是通过不断扰动改变光伏系统

的工作点，并观测输出功率的变化方向，来决定下一步的控制信号。这种控制算法简单，且易于硬件实现，并对传感器的精度要求不高。但是响应速度慢，只适用于那些光照强度变化非常缓慢的场合, 一旦光照发生快速变化时，跟踪算法可能会失效，甚至判断出错误的跟踪方向。而且初始值及跟踪步长的设定对输出的波形也存在影响，达到稳态时，会导致光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近小幅振荡，造成功率损失。

图2 P-D 关系曲线图

光伏阵列输出功率与DC/DC 变换器占空比的关系[7,8]（图2），其中P 为光伏阵列的输出功率，D 为DC/DC 变换器的开关占空比。从图看出，通过控制d P /d D 使之为零就可达到最大功率工作点，依据d P /d D 的大小判断占空比D 的扰动方向。基于上述分析，针对固定步长的缺点，本文提出一种基于P&Q 改进的自适应最大功率点跟踪法，根据功率变化值的大小，增加一个变步长参数自动跟踪调节DC/DC 变换器的开关占空比实现光伏阵列的最大功率跟踪。

图3 自适应MPPT 控制流程图

最大功率点跟踪方法实现如下：首先计算功率