光伏发电系统新型变步长MPPT控制方法

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光伏发电系统新型变步长MPPT 控制方法

范佳佳 宋平岗

（华东交通大学电气与电子工程学院，江西 南昌 330013）

【摘 要】分析并网型光伏发电系统最大功率点跟踪原理，针对含有直流-直流（DC/DC）升压环节的两级系统，文章提出了一种新型简单实用变步长最大功率点跟踪（MPPT）控制方法。系统只检测输出并网电流，并根据电流变化率di/dt 变步长改变占空比，实现最大功率点的快速跟踪。仿真分析得，系统追踪最大功率点速度快，当外界条件发生变化时，系统能快速追踪到新的最大功率点并保持不变，稳定性好，输出功率平稳，波动小，证明了理论研究的正确性与可行性。

【关键词】并网；光伏发电；MPPT；变步长 【中图分类号】TM464 【文献标识码】B 【文章编号】1008-1151(2010)10-0178-03

（一）引言

太阳能具有清洁、无污染、取之不尽用之不竭、分布面广等优点，已成为世界各国普遍研究的热点。与此同时，光伏发电装机总量每年成倍增趋势，在世界发电总量中所占的比重也越来越大。但是，光伏发电系统的一个主要缺点是其价格昂贵而发电效率却较低，这已成为限制其发展的主要因素之一[1]。所有的光伏系统都希望电池阵列在同样的日照、温度条件下输出尽可能多的电能，提高发电效率，这也就是理

论和实践上的太阳能电池阵列最大功率点跟踪MPPT(Maximum

Power Point Tracking)控制。

目前，国内外常用的最大功率点跟踪控制方法大多是直

接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向。比较成熟的MPPT 方法有扰

动观察法（爬山法）、增量电导法（INC）、恒定电压法（CVT）、滞环比较法、模糊逻辑控制法等。其中工程中应用较多的控制方法为：扰动观察法和恒定电压法。此类方法存在一个缺点，系统在追踪最大功率点时只能定步长跟踪，追踪速度较慢，会产生一定的能量流失。另外，此类最大功率点跟踪控

制方法一般直接采样太阳能电池的输出电压和输出电流，计

算输出功率并改变占空比，比较功率变化趋向[2]。

针对上述缺点，本文采用一种直接电流控制法，系统只

采样逆变器输出并网电流，根据并网电流的大小判断功率趋

向并改变占空比。与传统的直接电流控制法不同的是，系统

会根据采样得到的并网电流的变化率改变占空比的变化率，

实现系统最大功率点的快速跟踪。由于只对输出并网电流进

行采样，系统在不降低性能的情况下，节省了一个传感器，成本得以降低，软硬件设计也得以简化。

（二）太阳能光伏电池模型及输出特性

光伏电池是一种能吸收太阳能并将其转换为电能的半导体装置，由多个p-n 结串联而成，它的输出具有非线性特征，受环境因素影响很大，如光照强度和环境温度。随着光照强度和温度的变化，光伏电池的输出电压也会随之产生较大变化。当光伏电池处于暗处时，其输出的伏安特性与二极管指数特性相似。当光伏电池受一定强度的太阳光照射时，p-n 结两边会产生电势差，将电势差引出外导体产生电流，相当于电流源输出。太阳能电池板开路时，电流被其自身固有的p-n 结二极管分流，此时这个二极管的特性可被看成是光伏电

池的开路电压特性[3-4]

。根据光伏电池的内部结构和输出伏安

特性得到光伏电池的等效电路如图1所示，它由一个受光强和温度影响的电流源并联一个二极管再串联一个电阻组成。 图1 光伏阵列的等效电路模型 其等效数学模型为：

()()sh s s ph R I R U q nkT I R U q I I I +−⎭⎬⎫⎩⎨⎧−⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−=1exp 0 （1） 式中：I ——光伏电池输出电流(工作电流)；U ——光伏电池输出电压(工作电压)；I ph ——光生电流；I 0——二极管饱和电流；q ——电子的电荷量（1.6×1910−C）；R s ——光伏电池的串联电阻； n ——二极管特性因子；k ——玻尔兹曼常数（1.38×2310−J/K）；T ——光伏电池温度；R sh ——光伏电池

的并联电阻。

基于式（1），我们使用Matlab 搭建了光伏电池的仿真

模型，如图2所示。仿真采用无锡尚德太阳能电力有限公司生产的单晶硅光伏电池组件（STP175S-24/Ab），参数为：U oc =44.2V，U m =35.2V，I sc =5.2A，I m =4.95A，T ref =25℃，R S =0.1Ω。

图2 PV 模块

（三）新型变步长MPPT 算法

大多并网光伏发电系统，变流器输出端经过滤波环节后与电网相连，通常电网可视为无穷大电压源系统，其特性较为稳定[5]，如电网电压与频率等参数，当系统并入电网时，系统输出端并网电压被强制箝位在电网电压上。由于变换器自

【收稿日期】2010-07-09

【作者简介】范佳佳（1987－），男，安徽芜湖人，华东交通大学电气与电子工程学院硕士研究生，研究方向为光伏变流器拓扑结构及控制方法；宋平岗，男，华东交通大学电气与电子工程学院硕士研究生导师，研究方向为新能源及大功率变流技术。

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身功率损耗很小，相对于系统额定输出功率可忽略，故可认为光伏电池的输出功率和变换器输出功率相等，由功率平衡原理得：

L L out PV I U P P == （2）

L U 为电网电压，可视为常数。

由式（1）可以得出，光伏电池的输出功率pv P 与并网电流L I 成正比，即：

L pv I P ∝ 鉴于此特性，系统只需采样变换器并网电流，根据并网电流的大小及变化情况判断PV 板实际输出功率的变化情况，通过不断改变DC-DC 变换器占空比改变PV 板实际输出并网电流的大小，也即输出功率的大小。当改变占空比使输出并网电流I L 变大时，此时PV 板输出功率在变大，应保持这个变化趋势，直至I L 不再变大并保持不变。相反，当改变占空比使输出并网电流I L 减小时，此时PV 板输出功率在变小，应向相反的方向改变变化趋势，使I L 逐渐增大，直至I L 不再变大并保持不变。由此，系统输出并网电流达到最大，PV 板输出功率也达到最大，实现了PV 板的最大功率点跟踪。

本文提出的新型简单实用MPPT 控制算法结合了直接电流控制MPPT 控制方法的优点，采用变步长跟踪最大功率点，当改变占空比使并网电流剧烈变化时，说明系统目前运行在离最大功率点较远的直线段上，需增大占空比的改变量。当检测到并网电流变化缓慢时，应减小占空比的变化量，实现最大功率点附近的工作点微调，直至达到最大功率点并保持不变。具体实现只需用一个电流传感器检测并网输出电流I L 的变化，根据输出电流I L 的变化率dt di /来决定占空比的变化率，如式（3）所示。

dt

k di K x k D k D c

)1()sgn()1()(−+−= （3）

式中K C 为正比例常量，di(k-1)/dt 为上一时刻电流变化率，di(k)/dt 为在上一时刻变化率下本时刻的电流变化率。符号函数sgn(x)的取值方向与di(k-1)/dt 作用下的di(k)/dt 的正负取向相同，D(k)为下一时刻占空比，D(k-1)为上一时刻占空比，di/dt 为电流变化斜率。

分析式（3）：

1）当di(k-1)/dt 为正大，di(k)/dt 也正大时，电流正方向快速增加，输出功率快速增加，占空比正大增加，实现最大功率点快速跟踪调节。

2）当di(k-1)/dt 为正大，di(k)/dt 正小时，电流正方向缓速增加，输出功率缓速增加，占空比正小增加，实现最大功率点微调。

3）当di(k-1)/dt 为零，di(k)/dt 也为零时，电流达最大点，输出功率也达最大点，占空比不再改变，系统在最大功率点上稳定运行。

其他情况依此类推，其中大、小为虚拟比较参数，用于模糊说明最大功率点变步长追踪过程。

sgn(x)、di(k)/dt 与di(k-1)/dt 三者的关系如表1所示。 表1 sgn(x)、di(k)/dt 与di(k-1)/dt 三者关系

di(k-1)/dt

di(k)/dt

sgn(x) >0 >0 >0（1） >0 <0 <0（-1） >0 =0 =0（0） <0 >0 >0（1） <0 <0 <0（-1） <0 =0 =0（0） =0

--

=0（0）

依据PV 板P/U 特性曲线及直接电流控制I-P 对应关系，结合式（3）分析，可得出图3所示i（P）/U 的关系曲线。纵轴表示输出并网电流（PV 输出功率）

，横轴为电压。

图3 i(P)、U 关系曲线示意图

由图3可以看出：d i (k)/dt>0时，系统输出功率逐渐增大，工作点向最大功率点逼近；d i (k)/dt<0时，系统输出功率变小，应改变占空比的变化方向，使系统工作点向最大功率点靠近；d i (k)/dt=0时，系统达到最大功率点。此过程类似于扰动观察法。占空比的变化速率由d i

(k-1)/dt 的大小决定，当d i (k-1)/dt 的绝对值较大时，占空比会大步长改变，相反，d i (k-1)/dt 的绝对值较小时，占空比会小步长微调。占空比的变化方向由前一时刻的电流变化率d i (k-1)/dt 及sgn(x)函数决定，而sgn(x)函数的取值与d i (k-1)/dt 作用下本时刻d i

(k)/dt 相同。当d i (k)/dt>0时，sgn(x)取值1,占空比增大；若d i (k)/dt<0，sgn(x)取为-1，占空比减小；若d i (k)/dt=0，sgn(x)取值0，占空比不改变。d i (k-1)/dt 为正表示前一时刻功率增大，下一时刻占空比

dt

k di K k D k D c

)1()1()(−+−=也增大，若d i (k)/dt >0时，说明

占空比的作用为正，应保持占空比的变化趋势。当d i (k)/dt <0时，占空比的改变使功率减小，应使占空比向着前一时刻的反方向变化，而d i (k-1)/dt >0，故取sgn(x)为-1，以使占空比减小。d i

(k)/dt =0时，系统已达最大功率点，sgn(x)取为0。其他情况同理分析，不再累述。

通过以上分析，画出变步长MPPT 控制算法流程图如图4

所示。

图4 新型变步长MPPT 控制算法流程图

（四）系统仿真分析

根据前文所述理论，在PV 模块的基础上，本文搭建了新型变步长MPPT 控制方法仿真电路，如图5所示。模型主要由PV 模块，变步长MPPT 控制器，逆变桥，滤波器，电网负载及控制电路组成。仿真电路中，三角载波频率设置为5KHz，滤波电感为1mH，0.01Ω的电阻为线路及电感总电阻，PV 模块的仿真参数为：U oc =44.2V，U m =35.2V，I sc =5.2A，I m =4.95A，T ref =25℃，R S =0.1Ω。Irel 为实际并网电流。