楊海柱， 劉 潔， 袁松振， 曾志偉

（1.河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作 454000；2.河南理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南焦作 454000；3.六盤水師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系,貴州六盤水 553004）

最大功率點(diǎn)跟蹤 (maximum power point tracking，簡(jiǎn)稱MPPT)技術(shù)，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。光伏電池輸出的最大功率點(diǎn)不但取決于光照，還有環(huán)境溫度條件。光伏電池工作最好結(jié)果就是負(fù)載匹配在電池輸出的最大功率點(diǎn)處。但是，由于最大功率點(diǎn)主要取決于光照強(qiáng)度，因此在不同的光照強(qiáng)度下很難達(dá)到最佳匹配。目前的MPPT控制方法主要有固定電壓（CVT）法、擾動(dòng)觀察（PO）法、增量電導(dǎo)（IC）法[1-3]，或是在這幾種方法基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)算法。CVT算法的缺點(diǎn)是MPPT精度差，控制適應(yīng)性差；PO算法優(yōu)點(diǎn)是算法簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)時(shí)，只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，使得輸出功率具有振蕩；IC算法，包括變步長IC算法，盡管考慮到了適應(yīng)環(huán)境變化，但是由于控制作用較強(qiáng)，因此輸出功率有所波動(dòng)，控制算法較復(fù)雜[4]。本文提出一種新型的MPPT控制算法，在CVT和PO的基礎(chǔ)之上，添加光照環(huán)和溫度環(huán)，并且針對(duì)PO的不足引入一個(gè)判別閾值，使得系統(tǒng)能夠快速啟動(dòng)的同時(shí)，還能適應(yīng)光照和溫度劇烈變化，并且減小輸出的震蕩。

1 光伏陣列的特性

太陽電池是一種光電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體裝置，其產(chǎn)生的電壓和電流分別受溫度和光照強(qiáng)度的影響。當(dāng)受光照射的太陽電池接上負(fù)載時(shí)，光生電流流經(jīng)負(fù)載，并在負(fù)載兩端建立起端電壓。這時(shí)太陽電池的工作情況可用圖1所示的等效電路來描述。

圖1 太陽電池等效電路

當(dāng)流進(jìn)負(fù)載R0的電流為I0，負(fù)載的端電壓為V0時(shí)，由圖1可得到如下的解析式：

式中：Ig為光生電流；Id為二極管飽和電流；q為電荷電量(l×10－19C)；A 為 二 極 管 因 子 ；K 為 波 爾 茲 曼 常 數(shù)(1.38×10－23J/K)；T 為開氏溫度，K；V0為電池的輸出電壓；I0為電池的輸出電流；Rs為等效串聯(lián)電阻；Rsh為等效并聯(lián)電阻。

根據(jù)光伏電池等效電路圖建立其仿真模型，調(diào)節(jié)電阻負(fù)載的大小進(jìn)行采樣，當(dāng)光照和溫度變化時(shí)光伏陣列的特性曲線如圖2所示[5]。

圖2 光伏電池特性曲線

從圖2中可見光伏電池的輸出特性受光照強(qiáng)度和溫度的影響極大。每條特性曲線對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的工作點(diǎn)。MPPT的作用就是在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候找到這個(gè)運(yùn)行的最佳工作點(diǎn)，使得光伏電池板輸出當(dāng)時(shí)的最大功率?，F(xiàn)有的一些常用MPPT算法在光照強(qiáng)度變化不大的情況下，基本能滿足要求，但是如果在夏天或天氣多變等一些多云天氣里，很多情況下，跟蹤效果不理想，因此在進(jìn)行MPPT算法研究的時(shí)候，有必要把天氣瞬變和溫度條件考慮進(jìn)去。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）

本文提出的MPPT算法如圖3所示。系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候，能夠直接檢測(cè)到光伏電池的開路電壓Voc，此時(shí)，應(yīng)用CVT算法的快速性，直接設(shè)置參考電壓Vref為0.78Voc[4]，這樣就能夠保證系統(tǒng)啟動(dòng)的快速性，但是不能保證準(zhǔn)確性。系統(tǒng)經(jīng)過CVT啟動(dòng)之后，在對(duì)MPP進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤。此時(shí)系統(tǒng)包含兩個(gè)環(huán)節(jié)：光照環(huán)和溫度環(huán)。通過檢測(cè)電流的變化大小進(jìn)行確定外界環(huán)境的變化強(qiáng)度，以此決定系統(tǒng)算法使用溫度環(huán)或是光照環(huán)。其中ε是設(shè)定的閾值。

圖3 新型MPPT控制流程圖

光照環(huán)：如圖4所示，當(dāng)光照強(qiáng)度從1 000mW/cm2突降到200mW/cm2的時(shí)候，系統(tǒng)的工作點(diǎn)會(huì)從“a”點(diǎn)轉(zhuǎn)到“b”點(diǎn)。這是因?yàn)橄到y(tǒng)電壓不能突變，而此點(diǎn)的電壓對(duì)應(yīng)于光照強(qiáng)度為200mW/cm2時(shí)的特性曲線上的“b”點(diǎn)?！癮”點(diǎn)是光照強(qiáng)度為1 000mW/cm2時(shí)的最大功率點(diǎn)，“c”點(diǎn)是光照強(qiáng)度為200mW/cm2時(shí)的最大功率點(diǎn)，“b”點(diǎn)是僅僅是在“c”點(diǎn)右邊的一點(diǎn)，并不是最大功率點(diǎn)。為了避免系統(tǒng)跟蹤失敗，MPPT算法就要不斷地減小參考電壓，使得系統(tǒng)工作點(diǎn)不斷地向左滑動(dòng)，直到靠近了新的最大功率點(diǎn)“c”；相反的，如果光照強(qiáng)度從200mW/cm2瞬變到1 000mW/cm2，系統(tǒng)工作點(diǎn)就會(huì)從“c”變到“d”點(diǎn)，然后系統(tǒng)的參考電壓就會(huì)不斷地增加，直到系統(tǒng)工作點(diǎn)靠近到“a”點(diǎn)——1 000mW/cm2光照強(qiáng)度下的最大工作點(diǎn)。Δv1是擾動(dòng)總量，取決于功率變化的大小，也就是其值是由功率曲線的斜率確定的。這樣就能降低光伏電池的功率損失，同時(shí)還能使系統(tǒng)快速地適應(yīng)光照強(qiáng)度的劇烈變化。

圖4 MPPT跟蹤示意圖

溫度環(huán)：當(dāng)光照基本保持恒定的時(shí)候，也就是圖3所示的算法中，兩周期電流差值小于設(shè)定閾值時(shí)，溫度環(huán)開始工作。因?yàn)轱L(fēng)或者一些其他的大氣條件的變化，導(dǎo)致光伏電池溫度改變，從而改變了電池輸出的特性，這種變化有時(shí)候比光照帶來的變化更值得關(guān)注。從圖2所示的光伏電池輸出特性曲線圖上可見，當(dāng)外界溫度變化導(dǎo)致光伏電池溫度改變的時(shí)候，其最大功率工作點(diǎn)也會(huì)隨之發(fā)生變化。因此，為了使光伏電池工作在最佳輸出狀態(tài)，外界環(huán)境溫度也要考慮進(jìn)MPPT算法中。

環(huán)境溫度的變化幅度不會(huì)太大，故溫度環(huán)使用的是常用的PO法，其算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便。但PO法在穩(wěn)態(tài)時(shí)，只能在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行；存在著因功率跟蹤過程中非單調(diào)性造成的誤差；存在著因PO法自身算法的缺陷，而在日照強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生跟蹤錯(cuò)誤[5-6]。

對(duì)PO法的改進(jìn)即在其基礎(chǔ)上加上判別閾值。當(dāng)工作點(diǎn)已經(jīng)跟蹤到最大點(diǎn)附近，系統(tǒng)導(dǎo)數(shù)值已經(jīng)接近零，即電池電壓特性曲線工作點(diǎn)的切線將近水平，說明工作點(diǎn)已經(jīng)無限接近最大功率點(diǎn)，而因?yàn)榄h(huán)境干擾或器件精度的影響，導(dǎo)數(shù)值不太可能等于零，系統(tǒng)將會(huì)繼續(xù)跟蹤，在最大點(diǎn)附近來回跳動(dòng)，輸出電壓也會(huì)隨之波動(dòng)，影響功率輸出穩(wěn)定性。故算法中設(shè)置一個(gè)閥值δ，當(dāng)功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)值的絕對(duì)值小于δ時(shí)，即圖3所示的算法中|D|＜δ時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)跟蹤到最大功率點(diǎn)，暫停對(duì)工作電壓的擾動(dòng)，但程序還繼續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)|D|＞δ時(shí)，恢復(fù)對(duì)電壓進(jìn)行擾動(dòng)跟蹤。閾值的使用可使系統(tǒng)輸出更穩(wěn)定。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證MPPT算法的有效性，基于Matlab/Simulink軟件，對(duì)其在日照和溫度兩個(gè)方面的變化進(jìn)行了仿真。以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Sharp NT-R5E3E 175 W太陽電池板為輸入仿真對(duì)象，電池參數(shù) 為 ：Umpp=35.4 V，Impp=4.95 A，Uoc=44.4 V，Isc=5.55 A。光照環(huán)：溫度為25℃，設(shè)置初始光照強(qiáng)度為1 000mW/cm2，0.1 s 的時(shí)候光照突變到 600mW/cm2，0.2 s 時(shí)在突變到1 000mW/cm2；溫度環(huán)：光照強(qiáng)度為1 000mW/cm2，設(shè)置初始初始溫度為35℃，此處使用夸張的仿真手法，模擬環(huán)境溫度在0.1 s的時(shí)間內(nèi)，線性減小到25℃。搭建的仿真電路如圖5所示。

圖5 新型MPPT仿真圖

圖6為PO算法光照強(qiáng)度突變時(shí)輸出功率的仿真結(jié)果。通過圖6可見，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)有振蕩，達(dá)到最大功率點(diǎn)175W之后具有小幅的振蕩，在0.1 s的時(shí)候，光照突降，系統(tǒng)還能跟蹤上MPP，但是在0.2 s的時(shí)候，光照突升，系統(tǒng)在開始的時(shí)候跟蹤失敗，之后才最終跟蹤到MPP，但是，輸出的功率具有振蕩。圖7為帶有溫度環(huán)和光照環(huán)的新型MPPT算法在光照突變時(shí)輸出功率，該算法啟動(dòng)時(shí)間不到0.025 s，且啟動(dòng)平穩(wěn)，之后在溫度環(huán)的控制之下穩(wěn)定輸出在175W的最大功率上；光照突降時(shí)，光照環(huán)開始工作，在0.05 s之內(nèi)使系統(tǒng)穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)上。0.2 s時(shí)，光照強(qiáng)度突然升高，此時(shí)光照環(huán)同樣可在0.05 s之內(nèi)使系統(tǒng)穩(wěn)定在175W的最大功率點(diǎn)上工作?？梢娦滦蚆PPT算法啟動(dòng)性能好，應(yīng)對(duì)光照突變能力強(qiáng)，穩(wěn)定之后震蕩小。

圖8為溫度變化時(shí)的輸出功率的仿真結(jié)果，因?yàn)闇囟炔荒芡蛔?，故此加上線性輸入，使得溫度呈一個(gè)簡(jiǎn)單的線性變化，即：溫度在0.1 s之內(nèi)，從35℃降到25℃，通過圖8可見，系統(tǒng)跟蹤效果良好，在溫度達(dá)到25℃時(shí)，系統(tǒng)跟蹤到輸出功率為175W。跟蹤效果好。

圖6 PO算法下光照突變時(shí)輸出功率

圖7 改進(jìn)算法下光照突變時(shí)輸出功率

圖8 改進(jìn)算法下溫度變化時(shí)輸出功率

4 結(jié)論

光照強(qiáng)度和溫度對(duì)太陽電池的輸出特性影響巨大，為了快速、準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，在算法中加入CVT啟動(dòng)、光照環(huán)、溫度環(huán)，同時(shí)在溫度環(huán)中使用的PO算法中加入判別閾值，使其輸出波動(dòng)減小。結(jié)果表明，系統(tǒng)啟動(dòng)速度快，同時(shí)當(dāng)外界環(huán)境變化的時(shí)候，也能快速、準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

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