董 密，楊 建，于晶榮

（中南大學信息科學與工程學院，長沙 410083）

進入21世紀以來，優(yōu)化能源結構、提高能源效率、發(fā)展新能源和可再生能源已成為世界各國可持續(xù)發(fā)展的關鍵。太陽能以其無噪聲、無污染、能量隨處可得等優(yōu)點越來越受到重視。但由于太陽能發(fā)電成本較高，近年來，研究者主要致力于提高光伏系統(tǒng)穩(wěn)定性和轉化效率、降低成本的研究［1，2］。

由于光伏模塊的輸出電壓和輸出電流隨著日照強度和環(huán)境溫度的變化具有強烈的非線性，因此在特定的工作環(huán)境下存在著唯一的最大功率輸出點MPP（maximum power point）。在實際的應用系統(tǒng)中，自然光的輻射強度及大氣的透光率均處于動態(tài)變化中，為了在同樣的日照強度和環(huán)境溫度下，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率，獲得盡可能多的電能，一個重要的途徑就是實時調整光伏模塊的工作點，使之始終工作在MPP附近，這一過程就為最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）［3，4］。

因此，為了提高光伏系統(tǒng)的效率，研究者提出了多種MPPT控制算法［5～9］，其控制方法多樣，控制效果不盡相同，實現(xiàn)過程也大有區(qū)別。各種控制方法分為間接近似控制法、直接采樣控制法以及人工智能控制法3大類。間接控制法主要有曲線擬合法、查表法等；直接采樣控制法主要有干擾觀測（P＆Q）法［10］、電導增量（IncCond）法［11］等；人工智能控制法主要有模糊控制法、神經網絡控制法等［12］。其中P＆Q法和IncCond法的應用最為廣泛。根據(jù)文獻［12］，在控制精度要求不是特別高的情況下，采用P＆Q法進行MPPT控制足以滿足控制精度，又相對節(jié)約硬件投入；但在需要高性能控制場合，多采用IncCond法以及各種優(yōu)化方法等。

IncCond法的優(yōu)點是能減小跟蹤的穩(wěn)態(tài)振蕩，提高跟蹤精度。然而由于噪聲、測量誤差和數(shù)字控制量化誤差的影響，IncCond法也無法避免最大功率點附近的振蕩。文獻［13］提出了一種零均值IncCond跟蹤算法，它是基于一個周期內d PPV／d VPV＝0，這種積分相當于濾波作用，有效地抑制了噪聲和測量誤差，減小了跟蹤算法在MPP附近的振蕩。然而在外界環(huán)境變化劇烈或突變時，以及光伏模塊部分遮擋時，以上方法也無法及時有效地跟蹤到全局最大功率點［14］。

因此，本文針對外界光照強度或溫度突變，以及光伏模塊部分遮擋干擾時，提出了一種改進的電導增量MPPT控制算法。它能在外界環(huán)境劇烈變化時，有效地跟蹤MPP，提高MPPT控制的穩(wěn)態(tài)性能，可以廣泛地應用于實際光伏系統(tǒng)中。仿真及實驗結果證明了改進型電導增量MPPT控制算法的高適應性、魯棒性和有效性。

1 電導增量MPPT算法

1.1 傳統(tǒng)電導增量MPPT算法

在不同光照強度和環(huán)境溫度下，光伏模塊的輸出電流－電壓（I－V）以及功率－電壓（P－V）具有非線性特性，其關系如圖1所示，其電流－電壓輸出模型可表示［15］為

式中：IPV和VPV分別為光伏模塊的輸出電流和輸出電壓；Iph為光生電流；Isat為光伏模塊內部等效二極管的P－N結反向飽和電流；A為P－N結的曲線系數(shù)；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為絕對溫度；q為電子電荷。

圖1 光伏模塊輸出功率－電壓和輸出電流－電壓特性Fig.1 Typical P－V and I－V characteristics of a PV array

傳統(tǒng)IncCond法的數(shù)學模型為

它是通過比較光伏模塊的電導和瞬間電導來改變控制信號；IncCond法控制精度精確，響應速度比較快，在溫度和／或光照強度發(fā)生變化時，輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，并且穩(wěn)態(tài)振蕩也比擾動觀測法小。

通常光伏發(fā)電系統(tǒng)及最大功率點跟蹤控制器如圖2所示。而光伏模塊在MPPT控制下，一般工作在3種狀態(tài)。

（1）當式（2）滿足時，光伏模塊工作在MPP，給定的參考輸出功率PREF不變；

（2）當公式滿足

時，光伏模塊如同電壓源，需增加給定的參考輸出功率PREF，以達到MPP；

（3）當公式滿足

在大量閱讀積累背景下，才能夠在寫作中應用閱讀中所積累的大量詞匯進行寫作練習，缺乏閱讀積累，很難合理應用詞匯進行文章修飾，更無法在寫作中融入深刻的內涵，導致文章過于空洞。由此可見，只有在日常語文知識學習過程中通過閱讀積累大量的詞匯以及寫作技巧，才能夠從多個角度出發(fā)展開寫作，提升寫作質量的同時，激發(fā)學生寫作學習積極性。

時，光伏模塊如同電流源，需減小給定的參考輸出功率PREF，以實現(xiàn)MPP。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 PV system structure

因此MPPT控制算法的本質為根據(jù)MPP處電壓，調節(jié)光伏模塊的實際操作電壓：當光伏模塊的操作電壓比MPP電壓大時，MPPT控制器將增加系統(tǒng)的輸出功率以減小操作電壓，即電容CPV上的電壓降低；相反如果光伏模塊的操作電壓比MPP電壓小時，MPPT控制器將減小系統(tǒng)的輸出功率以提高操作電壓。但是，如果系統(tǒng)工作在后者情況下，即VPV＜VMPP時，而外界光照強度此時突然變弱，這時按照MPPT控制算法，減小給定的參考輸出電壓Vref后，系統(tǒng)的輸出功率仍然比實際光伏模塊的輸出功率大，則將進一步降低輸出電壓，直到VPV＝0，系統(tǒng)將被鉗制在無功率輸出狀態(tài)。為了避免外界環(huán)境突變時，以上情況發(fā)生，本文提出了改進型電導增量MPPT法。

1.2 改進型電導增量MPPT法

如圖3所示，可以觀察到：無論外界光照強度或環(huán)境如何變化，光伏模塊的輸出電壓和輸出功率的變化成正比，既在光照度增強或減弱的變化邊緣，d PPV／d VPV總是大于零。而在電導增量MPPT算法中，如圖1所示，d PPV／d VPV的符號是判斷控制流程的重要標準?；谑剑?），光照度突變時，d VPV／d IPV＞0。而根據(jù)光伏模塊的實際測量發(fā)現(xiàn)，改變控制電壓時，如圖1的I－V特性，d VPV／d IPV＜0。因此可以增加d VPV／d IPV的符號判據(jù)，以確定因為控制量變化還是外界環(huán)境變化而引起d PPV／d VPV的變化。如果是外界環(huán)境突變導致d PPV／d VPV變化，此時可以視d VPV／d IPV為無用的“電阻”，只根據(jù)上一次MPP電壓，確定下一步工作電壓變化方向。

圖3 光伏模塊隨光照強度變化曲線Fig.3 Relationship between PV model and insolation

綜上所述，改進型電導增量MPPT控制算法流程如圖4所示。

圖4 改進的電導增量MPPT控制算法流程Fig.4 Flow chart for the improved IncCond MPPT control algorithm

2 仿真結果分析

為了證明本文提出的電導增量MPPT控制法的有效性，采用Matlab建立了光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，并對此改進型電導增量法和傳統(tǒng)電導增量法的仿真結果進行了比較。

在Matlab中建立一個穩(wěn)態(tài)最大輸出功率5 W，開路電壓為25 V的光伏模塊，采用如圖2所示的電路進行MPPT控制，蓄電池內電阻為20Ω。開始時，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行，在100 ms時，外界光照強度劇烈變化，直到400 ms時恢復正常。采用傳統(tǒng)電導增量法和改進型電導增量MPPT方法的仿真結果分別如圖5和圖6所示。

而改進型電導增量MPPT法，由于加入了無用“電阻”的判據(jù)，當外界光照強度劇烈變化時，可以分析出環(huán)境的變化，繼續(xù)有效的控制算法；當外界環(huán)境變化恢復正常后，既能繼續(xù)跟蹤光伏模塊的最大功率點。

圖5 光照度劇烈變化時傳統(tǒng)電導增量MPPT仿真結果Fig.5 Incremental conductance MPPT performance under rapidly changing insolation

圖6 光照度劇烈變化時改進型電導增量MPPT仿真結果Fig.6 Enhancement Incremental conductance MPPT performance under rapidly changing insolation

3 實驗分析

建立200 W光伏發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置。由光伏模塊HIP－200BA3提供電能，經升壓轉換器進行最大功率點跟蹤，并將電能存儲在蓄電池中。所有的控制算法，包括所提出的改進型電導增量MPPT控制算法在單片微控制器dsPIC30F3011中完成，通過微控制器的10位A／D轉換器對光伏電壓和電流進行采樣。電壓和電流控制周期為100μs，最大功率點跟蹤控制周期為50 ms。升壓直流轉換器開關頻率為20 k Hz，外界光照強度在2～8 s劇烈變化時，光伏模塊在改進型電導增量MPPT控制下的輸出電壓和輸出電流實驗結果見圖7。

圖7 所提出的電導增量MPPT算法實驗測量結果Fig.7 Measured results for the proposed MPPT algorithm

學生實驗得到，改進型電導增量MPPT控制算法的實驗結果與仿真結果一致。最后，對所提出的改進型電導增量MPPT控制方法的效率進行了分析，其跟蹤效率如圖8所示。在外界干擾的環(huán)境下，改進型電導增量MPPT控制方法的效率基本能達到98.3%，具有很好的跟蹤效果和強魯棒性。

圖8 改進型電導增量MPPT控制效率Fig.8 Efficiency of the proposed MPPT algorithm

4 結語

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，提高MPPT控制策略是一種有效提高整個系統(tǒng)效率的方法。而在外界環(huán)境、光照強度劇烈變化時，傳統(tǒng)的光伏模塊最大功率點跟蹤方法不能實現(xiàn)很好的跟蹤效果。特別是傳統(tǒng)的電導增量MPPT控制方法，外界光照強度劇烈變化時將無法正確判別操作電壓的方向，致使輸出功率一直拉低到零點。在本文提出了一種改進型電導增量MPPT控制方法，可以通過判斷d VPV／d IPV和d PPV／d VPV的方向確定外界環(huán)境狀態(tài)，方法簡單易于實現(xiàn)，且具有較強的魯棒性，因此可以被廣泛地應用。Matlab仿真分析可以得出，傳統(tǒng)的電導增量MPPT方法在外界光照強度劇烈變化時，不能跟蹤到MPP點，而使輸出功率降到零；改進型電導增量法則有效地避免了這一情況的產生。最后，建立了200 W光伏并網發(fā)電系統(tǒng)實驗裝置，學生通過一系列實驗再次證明，在變化的環(huán)境下，所提出的改進型電導增量MPPT控制策略都具有高魯棒性，其控制精度約為98.3%。

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