徐春雷，李晶晶，潘　梅

（1．國(guó)網(wǎng)阿克蘇供電有限責(zé)任公司檢修繼保班，新疆阿克蘇843000；2．國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院電能計(jì)量檢定中心，青海西寧810000）

基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT算法研究

徐春雷1，李晶晶2，潘梅1

（1．國(guó)網(wǎng)阿克蘇供電有限責(zé)任公司檢修繼保班，新疆阿克蘇843000；2．國(guó)網(wǎng)青海省電力公司電力科學(xué)研究院電能計(jì)量檢定中心，青海西寧810000）

摘要：根據(jù)目前阿克蘇地區(qū)光伏發(fā)電場(chǎng)的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電技術(shù)還存在著光－電轉(zhuǎn)換率低、輸出功率不穩(wěn)定等問(wèn)題，很大程度上影響著該地區(qū)光伏發(fā)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，為了促進(jìn)光伏發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展、穩(wěn)定輸出功率、提高光伏發(fā)電技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換率，在分析光伏發(fā)電的模型和研究光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法（SVM改進(jìn)擾動(dòng)法），并利用Simulink仿真軟件進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真結(jié)果證明改進(jìn)的擾動(dòng)觀測(cè)法消除了震蕩，有效地減少了擾動(dòng)次數(shù)和跟蹤時(shí)間、提高了最大功率點(diǎn)的跟蹤精度和速度。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；MPPT；SVM改進(jìn)擾動(dòng)法；Simulink仿真

1　引言

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，光伏發(fā)電就成為了新能源研究中的重點(diǎn)研究對(duì)象，諸如照明設(shè)施、家用電器、發(fā)電廠、屋頂?shù)仍絹?lái)越多的場(chǎng)合在使用清潔能源—太陽(yáng)能。光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)離不開其控制技術(shù)，其中應(yīng)用最多的是MPPT技術(shù)，也就是最大功率點(diǎn)跟蹤，通過(guò)跟蹤系統(tǒng)的電壓、占空比等尋找出最大功率點(diǎn)，讓系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處，得到更大的功率輸出。近幾年來(lái)，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)在恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法、擾動(dòng)觀察法等幾個(gè)方向得到了快速的發(fā)展應(yīng)用，但是通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)這幾種控制方法雖然都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但都不可避免地存在著不足，例如恒定電壓法易受到溫度的影響，當(dāng)溫度較高時(shí)輸出功率會(huì)嚴(yán)重偏離最大功率點(diǎn)，使得輸出功率達(dá)不到最大值；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法和恒定電壓法相比，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法不受溫度的影響，但是其算法過(guò)于復(fù)雜；擾動(dòng)觀察法是近年來(lái)比較流行的一種控制算法，不足之處是這種算法難以確定步長(zhǎng)，并且在最大功率點(diǎn)出會(huì)發(fā)生震蕩；電導(dǎo)增量法的控制比較復(fù)雜，對(duì)采樣值的精度要求很高。為了規(guī)避上述幾種控制算法中存在的不足，更好地控制太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，本課題旨在找出一種能更快捷跟蹤最大功率點(diǎn)的控制方法，通過(guò)結(jié)合擾動(dòng)觀測(cè)法和支持向量機(jī)技術(shù)，提出一種改進(jìn)的MPPT算法－基于SVM改進(jìn)擾動(dòng)法的MPPT算法，通過(guò)改變擾動(dòng)觀測(cè)值的步長(zhǎng)大小，該算法可以迅速地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。文中通過(guò)搭建Simulink仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果證明該改進(jìn)算法是可行的。

2　光伏電池的模型

2．1光伏電池的等效電路

如圖1所示為光伏電池的等效電路圖，光伏電池實(shí)際上就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，它把感應(yīng)到的太陽(yáng)光能通過(guò)一系列轉(zhuǎn)化變成電能，它的等效電路可以用一個(gè)電流源和一個(gè)二極管并聯(lián)組成，其中光生電流相當(dāng)于光伏電池的電流源Ig；流過(guò)二極管的電流為暗電流，用Id表示；Rsh表示旁路電阻；流過(guò)Rsh的電流用Ish表示；I0表示光伏電池的輸出電流；U0為光伏電池輸出電壓；Rs為串聯(lián)電阻；R0為電池的負(fù)載電阻。

圖1　光伏電池的等效電路

通過(guò)分析可以得出在光伏發(fā)電系統(tǒng)中用最大功率跟蹤法控制系統(tǒng)時(shí)Uop（最佳動(dòng)作電壓）和Iop（最佳動(dòng)作電流）之間的關(guān)系可以用式（1）來(lái)表示：

圖2　光伏電池電壓電流輸出特性

如圖2所示為最佳動(dòng)作電壓和最佳動(dòng)作電流之間的關(guān)系圖。通過(guò)光伏電池電壓電流輸出特性曲線圖可以看出，當(dāng)光伏電池的工作電壓小于最佳動(dòng)作電壓時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出功率會(huì)隨著工作電壓的增大而增加，當(dāng)其工作電壓達(dá)到最佳動(dòng)作電壓時(shí)，輸出功率達(dá)到最大值，之后工作電壓再增大，系統(tǒng)的輸出功率就開始下降，可以看出在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出功率和電壓不是線性關(guān)系的。顯然，光伏系統(tǒng)的輸出功率和它的輸出電流以及輸出電壓有關(guān)系，因此通過(guò)調(diào)節(jié)其輸出電流、電壓就可以達(dá)到調(diào)節(jié)功率輸出的目的，從而實(shí)現(xiàn)最大功率輸出，而溫度與光照條件又影響了輸出電流、電壓值的大小，所以可以通過(guò)觀察在不同的溫度與光照條件下輸出最大功率，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。新疆阿克蘇地區(qū)雖然日光照小時(shí)數(shù)很充足，有利于光伏發(fā)電系統(tǒng)的建立，但是其光照強(qiáng)度和溫度是在不斷變化的，無(wú)法準(zhǔn)確地控制光伏電池的輸出電壓和輸出電流的最佳匹配。為了解決這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)采用Boost升壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池電壓、電流輸入特性的控制。在Boost升壓電路中用光伏電池當(dāng)做其電源供電，那么根據(jù)Boost升壓電路的特性可以知道輸出電壓和輸出電流與輸入電壓（光伏電池的輸出電壓）和輸入電流（光伏電池的輸出電流）有式（2）所示的關(guān)系：

其中，D為Boost升壓斬波電路開關(guān)管觸發(fā)信號(hào)的占空比。根據(jù)上面的等式可以看出通過(guò)改變占空比D的大小就可以實(shí)現(xiàn)光伏電池輸出電壓的改變，從而實(shí)現(xiàn)其最大功率跟蹤。

3　太陽(yáng)能電池的技術(shù)參數(shù)和特性曲線［2］

光伏電池的技術(shù)參數(shù)：功率50W；電池短路電流3．35A；電池開路電壓21．6V；最佳動(dòng)作電壓17．6V；最佳動(dòng)作電流2．85A；溫度25℃。

在對(duì)光伏電池分析的基礎(chǔ)上，本章節(jié)以Matlab／Simulink仿真軟件為平臺(tái)搭建起光伏電池的仿真模型和光伏電池的P－V特性曲線仿真模型。采用ode23tb剛性算法為仿真算法對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真計(jì)算，測(cè)得出如圖3所示的光照特性曲線、圖4所示的溫度特性曲線和圖5所示的功率特性曲線圖。其中測(cè)量光照特性曲線時(shí)，溫度為25℃；測(cè)量溫度特性曲線時(shí)，光照強(qiáng)度為1000W／m2。

圖3　光照特性曲線

圖4　溫度特性曲線

圖5　太陽(yáng)能電池P－V特性曲線圖

4　光伏發(fā)電MPPT的Simulink仿真

4．1光伏發(fā)電系統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法仿真結(jié)果

如圖6所示為搭建的光伏發(fā)電的MPPT算法［3］的Simulink仿真模型，在該模型中供電電源為光伏電池，Boost升壓電路為主電路，L＝12mH，C1＝470μF，C2＝1000μF，RL＝10Ω，開關(guān)頻率1000Hz，環(huán)境溫度設(shè)為25℃，采用ode23tb剛性算法進(jìn)行仿真。

圖6　光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤Matlab仿真模型

如圖6所示，將仿真模型中的開關(guān)S1調(diào)至右邊進(jìn)行MPPT跟蹤仿真。結(jié)合Matlab中的Embeded Function模塊進(jìn)行擾動(dòng)觀察法程序的編寫，設(shè)定5個(gè)計(jì)數(shù)周期采樣一次，仿真時(shí)設(shè)定光照強(qiáng)度隨著時(shí)間的變化而變化，仿真結(jié)果如下圖7、圖8所示。

圖7　占空比變化曲線

圖8　功率變化曲線

從圖6、7的仿真圖形可以看出采用擾動(dòng)觀測(cè)法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率點(diǎn)的最大跟蹤，但是在最大功率點(diǎn)處占空比和功率都頻繁出現(xiàn)了震蕩，這種震蕩是由擾動(dòng)觀測(cè)算法本身所造成的，是無(wú)可避免的，本文對(duì)該種算法進(jìn)行一些改進(jìn)來(lái)去除這種震蕩現(xiàn)象，更好地控制光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤。

4．2基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT算法［4］的仿真實(shí)現(xiàn)

4．2．1基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT算法

如下所示，改進(jìn)的MPPT控制算法－基于SVM的改進(jìn)擾動(dòng)法可以去除傳統(tǒng)的擾動(dòng)觀測(cè)法在最大功率點(diǎn)附近占空比與功率出現(xiàn)振蕩的現(xiàn)象，能使得系統(tǒng)輸出最大功率。

確定輸入、輸出量（也就是確定訓(xùn)練樣本），假設(shè)已經(jīng)訓(xùn)練樣本為：

其中：xi∈X＝Rn、yi∈Y＝R，i＝1，2，……l。

利用式（3）對(duì)訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

選擇式（4）所示的徑向基核函數(shù)和決策函數(shù)，確定懲罰因子C和核參數(shù)σ的值：

對(duì)經(jīng)過(guò)式（3）處理的中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算，計(jì)算出在光照條件變化時(shí)，光伏電池的最佳動(dòng)作電壓值，并繪制出最佳電壓的回歸預(yù)測(cè)表。

不同的光照條件對(duì)應(yīng)著不同的最佳動(dòng)作電壓，跟蹤這個(gè)最佳動(dòng)作點(diǎn)，并通過(guò)擾動(dòng)觀測(cè)法確定這個(gè)電壓值是不是達(dá)到了最大功率點(diǎn)，如果該值和“擾動(dòng)法”得到的尋優(yōu)值有大于5%的無(wú)誤差，那么就用與當(dāng)前光照強(qiáng)度最接近的最佳動(dòng)作電壓值直接跟蹤，并利用“擾動(dòng)法”來(lái)進(jìn)行確定最佳動(dòng)作電壓，并將新數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練數(shù)據(jù)重新進(jìn)行預(yù)測(cè)。

4．2．2基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT控制算法的仿真

訓(xùn)練數(shù)據(jù)是在光學(xué)大氣質(zhì)量為AM1．5、氣溫為25℃、光照強(qiáng)度變化的條件下的得到的10個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　測(cè)量數(shù)據(jù)

根據(jù)前面分析的改進(jìn)算法建立SVM預(yù)測(cè)模型利用LIBSVM進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)得到如表2所示的SVW回歸預(yù)測(cè)分析表，通過(guò)查表確定占空比的初值和10組訓(xùn)練數(shù)據(jù)根據(jù)SVM預(yù)測(cè)的動(dòng)作電壓值計(jì)算出的對(duì)應(yīng)的占空比，得到如表3所示的光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)表。

表2　 SVW回歸預(yù)測(cè)分析結(jié)果

表3　 SVW預(yù)測(cè)后最佳動(dòng)作電壓對(duì)應(yīng)占空比值

如圖9所示為原始數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比圖，其中一條曲線代表原始數(shù)據(jù)，另一條曲線代表回歸預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)均方差MSE＝3．893e－4；當(dāng)建立好光照強(qiáng)度預(yù)測(cè)表后，利用改進(jìn)的算法進(jìn)行仿真計(jì)算，得到如圖10所示的最大功率跟蹤曲線圖。

圖9　 SVM預(yù)測(cè)最佳動(dòng)作電壓曲線

圖10　 SVM算法下最大功率跟蹤曲線圖

對(duì)比圖10和圖8可以看出基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT算法不僅基本上消除了傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法中存在的震蕩現(xiàn)象，還大大的縮短了跟蹤最大功率點(diǎn)的時(shí)間，很大程度上減少了擾動(dòng)次數(shù)和跟蹤時(shí)間，有效地提高最大功率點(diǎn)的跟蹤速度和精度，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電的最大功率輸出，通過(guò)仿真得出的曲線圖證明了基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT控制算法的正確性。

5　結(jié)束語(yǔ)

分析了光伏電池的等效電路和其對(duì)應(yīng)的最佳動(dòng)作電壓和最佳動(dòng)作電流之間的關(guān)系、光照特性曲線、溫度特性曲線、P－V特性曲線等，建出光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤Matlab仿真模型，通過(guò)Matlab／Simulink軟件進(jìn)行傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法控制條件、基于擾動(dòng)觀測(cè)法的改進(jìn)MPPT算法條件下占空比和功率曲線的仿真，通過(guò)對(duì)比兩種算法控制條件下，最大功率跟蹤點(diǎn)的曲線圖可以看出改進(jìn)后的算法能根據(jù)功率變化關(guān)系自動(dòng)決定占空比變化的幅度，可以更快更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤，并消除在最大功率點(diǎn)處的震蕩現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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［4］曹倩茹．光伏大點(diǎn)的最大功率跟蹤研究［D］．西安：西安科技大學(xué)，2006．

中圖分類號(hào)：TM615＋．1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）03—0007—05

作者簡(jiǎn)介：

徐春雷（1987－），女，漢族，碩士研究生，國(guó)網(wǎng)阿克蘇供電有限責(zé)任公司員工。

收稿日期：2014－10－20

Improved MPPT algorithm research based on perturbation observation method

XU Chun－lei1，LI Jing－jing2，PAN Mei1
（1．Aksu Power Supply Ltd．，State Grid，Aksu843000，China；2．Qinghai Electric Power Test＆
Research Institute，Qinghai Electric Power Corporation，Qinghai 810000，China）

Abstract：According to the current running situation of photovoltaic farms in Aksu，it is found that the technology of photovoltaic power generation still exists the problems such as low optical－electric conversion rate and unstable output power，thus largely affects the economic operation of the photovoltaic farms in the region．Therefore，in order to promote the further development of photovoltaic power generation，stable output power，and improve optical－electric conversion rate of photovoltaic power generation technology，the improved perturbation observation method（SVM improved perturbation method）is proposed by analyzing the photovoltaic power generation model and researching of the photovoltaic maximum power point tracking（MPPT）technique．The simulation analysis is made by using Simulink software．The simulation results prove that the improved perturbation observation method can eliminate oscillation，effectively reduce the perturbation frequency and tracking time，and improve the tracking precision and speed of the maximum power point．

Key words：photovoltaic power generation；MPPT；SVM improved perturbation method；Simulink simulation