雷 敏，孔令倩，鄧昭俊，李 丹

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)的光伏電池陣列MPPT

雷 敏，孔令倩，鄧昭俊，李 丹

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

針對(duì)光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤速度和跟蹤精度難以同時(shí)兼顧的問(wèn)題，提出了一種基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)MPPT控制算法，即雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，并與電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行仿真對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明，該算法可以快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，精確度提高了15 ms，具有較好的時(shí)效性。

光伏電池陣列；MPPT；雙向變步長(zhǎng)；擾動(dòng)觀察法

0 引言

能源是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，但是由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，以及人類生活水平的提高，世界各國(guó)對(duì)能源的需求量逐漸增大，并且燃燒這些一次能源帶來(lái)的環(huán)境污染已相當(dāng)嚴(yán)重。目前光伏發(fā)電正在大力推廣，為了提高微型逆變器的發(fā)電量，需要對(duì)光伏電池陣列進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（maximum power point tracking，MPPT）[1]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都在研究最大功率點(diǎn)跟蹤算法[2-9]。文獻(xiàn)[10] 提出一種基于 P-V 微分曲線控制的算法，該算法具有較好的動(dòng)態(tài)特性，但當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變時(shí)，該算法不能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[11]提出了一種PI 調(diào)節(jié)器的方法，該方法能根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)占空比，使得逆變器有較好的輸出穩(wěn)定性，但比例積分因子的確定比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[12]提出了一種改進(jìn)的電導(dǎo)增量法，該方法在傳統(tǒng)電導(dǎo)增量法的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變電壓的參考值，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，從而提高跟蹤精度。但該算法把參考電壓附近的最大功率點(diǎn)看作全局的最優(yōu)點(diǎn)，因此具有一定的局限性。文獻(xiàn)[13]提出了基于固定陰影模式下的粒子群算法，在多峰值情況下，該算法能很好地跟蹤最大功率點(diǎn)，但只限于固定的陰影模式下，使用時(shí)有一定的局限性。另外，比較新的算法有模糊控制法[14-15]、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法[16]等，但這些智能控制算法更多的是憑借個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，缺乏自學(xué)能力，仍然有一定的局限性。

通過(guò)以上分析，為了使得MPPT的性能更加優(yōu)化，本文提出了基于雙側(cè)擾動(dòng)變步長(zhǎng)觀察MPPT算法，即雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。

1 光伏電池模型

光伏電池的等效電路如圖1所示。圖中，I為光伏電池的輸出電流；Isc為所測(cè)量光伏電池的短路電流；Id為流過(guò)二極管的反向暗電流；U為光伏電池的輸出電壓；Rsh為電池的等效并聯(lián)電阻；Rs為電池的等效串聯(lián)電阻。

圖1 光伏電池的等效電路圖Fig.1 The equivalent circuit of photovoltaic cells

1.1 光伏電池陣列的工程模型

根據(jù)光伏電池陣列實(shí)際輸出特性擬合光伏電池模型。在實(shí)際中，根據(jù)電池廠家提供的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的電池開(kāi)路電壓Uoc0、短路電流Isc0、最大功率電壓Umax0和最大功率電流Imax0這4個(gè)參數(shù)[17]構(gòu)造數(shù)學(xué)表達(dá)式，就可以擬合出實(shí)際I-U曲線。

1.2 電池模型仿真

當(dāng)溫度為25℃，光照強(qiáng)度分別為800, 1 000, 1 200 W/m2時(shí)，光伏電池陣列隨光照強(qiáng)度變化的I-U曲線和P-U曲線如圖2所示。

圖2 光伏電池陣列隨光照強(qiáng)度的變化曲線Fig.2 The curve of photovoltaic cell array varying with the light intensity

由圖2a可知，當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，短路電流隨之增大，但開(kāi)路電壓基本保持不變，說(shuō)明光伏電池陣列的開(kāi)路電壓基本不受光照強(qiáng)度的影響。由圖2b可以看出，光伏電池陣列輸出的最大功率隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，并且這3條P-U曲線的峰值幾乎在同一條垂直線上。

2 最大功率點(diǎn)跟蹤的Simulink仿真

2.1 基于Boost電路的MPPT控制

圖3為Boost等效電路圖。基于 Boost 電路的MPPT 控制原理是：將光伏電池的輸出側(cè)等效為一個(gè)負(fù)載阻抗，可以不停地調(diào)節(jié)負(fù)載阻抗阻值，當(dāng)負(fù)載阻抗的阻值與太陽(yáng)能光伏電池的輸出阻抗值相等時(shí)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大值。所以只要用控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載阻抗的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，就能使光伏電池工作于最大功率輸出點(diǎn)，這就是所說(shuō)的MPPT控制。它的控制分為2種，一種是改變轉(zhuǎn)換器的占空比，另一種是改變擾動(dòng)電壓。

圖3 Boost等效電路圖Fig.3 Boost equivalent circuit diagram

2.2 雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法流程

本文提出了雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，其流程見(jiàn)附圖1。首先在開(kāi)始部分要設(shè)定電壓的初始值、占空比的初始值、功率閾值EP和電壓步長(zhǎng)閾值EU。從初始電壓UB開(kāi)始，然后進(jìn)行雙向擾動(dòng)，即減小一個(gè)步長(zhǎng)ΔU，得到觀測(cè)點(diǎn)UA=UB-ΔU；增加一個(gè)步長(zhǎng)ΔU，得到觀測(cè)點(diǎn)UC=UB+ΔU；然后計(jì)算這3點(diǎn)的功率PA, PB, PC，令ΔP1=PC-PB, ΔP2=PB-PA。比較ΔP1, ΔP2與閾值EP的大小，比較一半步長(zhǎng)ΔU（即0.5ΔU）與步長(zhǎng)閾值EU的大小，根據(jù)這些對(duì)比結(jié)果來(lái)判斷最大功率點(diǎn)是否變動(dòng)，步長(zhǎng)是否變?yōu)樯弦粋€(gè)周期步長(zhǎng)的一半。

2.3 雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的仿真模型

采用雙向擾動(dòng)觀察法，利用Simulink搭建MPPT仿真模型，如圖4所示。在圖4中設(shè)定的條件為：光照強(qiáng)度S=1 200 W/m2，溫度T=25℃，初始電壓U0=40 V。

圖5是分別采用電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法和雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法的功率隨時(shí)間的跟蹤曲線。

圖4 MPPT仿真模型Fig.4 MPPT simulation model

圖5 功率隨時(shí)間的跟蹤曲線Fig.5 The curve of power with time tracking

由圖5a可知，采用電導(dǎo)增量法，在t=16 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)，且之后基本上是穩(wěn)定的。而圖5b中采用傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法，在t=60 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)后才基本穩(wěn)定，但是穩(wěn)定后的紋波還是比較大。圖5c中采用雙向擾動(dòng)變步長(zhǎng)觀察法，可以清晰看出，在t=0.7 ms的時(shí)刻追蹤到最大功率點(diǎn)，并穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)處，且?guī)缀鯖](méi)有紋波。這3種不同MPPT控制算法的仿真結(jié)果表明，本文提出的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，跟蹤速度比電導(dǎo)增量法約提高了15 ms，時(shí)速性很好。

上面分析的是外界環(huán)境不變的情況，下面再分析當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生突變，以及外界環(huán)境發(fā)生動(dòng)態(tài)變化時(shí)的情況。

圖6為光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)的功率跟蹤情況。從圖中可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度在t=0.03 s時(shí)發(fā)生突變，由800 W/m2變?yōu)? 200 W/m2，最大功率點(diǎn)跟蹤沒(méi)有出現(xiàn)“誤判”現(xiàn)象，也沒(méi)有出現(xiàn)太大震蕩，在1 ms的時(shí)間內(nèi)就從原來(lái)的最大功率點(diǎn)快速跟蹤到新環(huán)境下的最大功率點(diǎn)，穩(wěn)定性非常好。

圖6 光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)的功率跟蹤情況Fig.6 The power tracking situation when the light intensity mutated

圖7 為當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生連續(xù)變化時(shí)的電流和功率隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，電流和功率的變化曲線基本上和光照強(qiáng)度的變化曲線一致，此仿真的最大功率點(diǎn)跟蹤效果好，說(shuō)明本文提出的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，實(shí)現(xiàn)了快速、實(shí)時(shí)跟蹤最大功率點(diǎn)的功能。

圖7 光照強(qiáng)度發(fā)生率連續(xù)變化時(shí)的電流和功率的變化曲線Fig.7 The variation curves of current and power when light intensity changed continuously

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)光伏電池陣列最大功率點(diǎn)跟蹤速度和跟蹤精度難以同時(shí)兼顧的問(wèn)題，本文提出了一種跟蹤速度快、時(shí)速性高的雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法。并將這種控制算法與電導(dǎo)增量法、傳統(tǒng)擾動(dòng)觀察法進(jìn)行了仿真對(duì)比。仿真結(jié)果表明，采用雙向變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，能以更快的速度跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且?guī)缀鯖](méi)有紋波。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化，其跟蹤的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也非常迅速、準(zhǔn)確。

[1]張澧生，施 佳，施大發(fā). 一種改進(jìn)INC和MPC的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤算法[J]. 電源學(xué)報(bào)，2014(2)：95-100. Zhang Lisheng，Shi Jia，Shi Dafa. A Photovoltaic MPPT Based on Improved INC and MPC Algorithm[J]. Journal of Power Supply，2014(2)：95-100.

[2] 張 超，何湘寧. 短路電流結(jié)合擾動(dòng)觀察法在光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤控制中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26(20)：98-102. Zhang Chao，He Xiangning. Short-Current Combined with Perturbation and Observation Maximum-Power-Point Tracking Method for Photovoltaic Power Systems[J]. Proceedings of the CSEE，2006，26(20)：98-102.

[3] 陳 劍，趙爭(zhēng)鳴，袁立強(qiáng)，等. 光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的比較[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，50 (5)：700-704. Chen Jian，Zhao Zhengming，Yuan Liqiang，et al. Comparison of Maximum Power Point Tracking Photovoltaic System[J]. Journal of Tsinghua University：Science and Technology，2010，50(5)：700-704.

[4] 張小蓮，李 群，殷明慧，等. 一種引入停止機(jī)制的改進(jìn)爬山算法[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32(14)：128-134. Zhang Xiaolian，Li Qun，Yin Minghui，et al. An Improved Hill-Climbing Searching Method Based on Halt Mechanism [J]. Proceedings of the CSEE，2012，32(14)：128-134.

[5] 劉邦銀，段善旭，劉 飛，等. 基于改進(jìn)擾動(dòng)觀察法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24 (6)：91-94. Liu Bangyin，Duan Shanxu，Liu Fei，et al. Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Based on Improved Perturbation and Observation Method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2009，24(6)：91-94.

[6] 栗曉政，孫建平. 基于分段數(shù)值逼近的自適應(yīng)步長(zhǎng)電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(7)：1164-1170. Li Xiaozheng，Sun Jianping. Simulation of Auto-Adapted Step Size Incremental Conductance Method MPPT Control Based on Segmented Numerical Approximation[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2012，33(7)：1164-1170.

[7] 何海華，鄭壽森，祁新梅，等. 基于模糊控制的最大功率點(diǎn)跟蹤的仿真研究[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012，24(2)：398-403. He Haihua，Zheng Shousen，Qi Xinmei，et al. Research on Maximum Power Point Tracking Based on Fuzzy Controlling Technology[J]. Journal of System Simulation，2012，24(2)：398-403.

[8] 吳海濤，孫以澤，孟 婥. 粒子群優(yōu)化模糊控制器在光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31(6)：52-57. Wu Haitao，Sun Yize，Meng Chuo. Application of Fuzzy Controller with Particle Swarm Optimization Algorithm to Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Generation System[J]. Proceedings of the CSEE，2011，31(6)：52-57.

[9] 龍 潔. 基于NN模型估計(jì)的光伏最大功率點(diǎn)跟蹤控制技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(20)：38-42. Long Jie. Research on the MPPT Technology of Photovoltaic System Based on NN Model Estimation[J]. Power System Protection and Control，2011，39(20)：38-42.

[10]Pandey A，Dasgupta N，Mukerjee A K. Design Issues in Implementing MPPT for Improved Tracking and Dynamic Performance[C]//IECON 2006-32nd Annual Conference on IEEE Industrial Electronics. Paris：IEEE，2006：4387-4391.

[11]Abdelsalam A K，Massoud A M，Ahmed S，et al. High-Performance Adaptive Perturb and Observe MPPT Technique for Photovoltaic-Based Microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2011，26(4)：1010-1021.

[12]蔡明想，姜希猛，謝 巍. 改進(jìn)的電導(dǎo)增量法在光伏系統(tǒng)MPPT中的應(yīng)用[J]. 電氣傳動(dòng)，2011，41(7)：21-24. Cai Mingxiang，Jiang Ximeng，Xie Wei．Improved Increment Conductance MPPT Method for Photovoltaic System[J]. Electric Drive，2011，41(7)：21-24.

[13]周 航. 基于粒子群算法的局部遮陰光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制的研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2009. Zhou Hang. Research on MPPT Control of Partially Shaded PV System Based on PSO Algorithm[D]. Tianjing：Tianjing University，2009.

[14]陶靖琦，廖家平，趙熙臨. 基于模糊控制的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT技術(shù)研究[J]. 湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，26(1)：16-19. Tao Jingqi，Liao Jiaping，Zhao Xilin. The Research of Photovoltaic Power Generation System with MPPT Based on Fuzzy Logic[J]. Hubei University of Technology，2011，26(1)：16-19.

[15]Wu T F，Chang C H，Chen Y H. A Fuzzy-Logic-Controlled Single-Stage Converter for PV-Powered Lighting System Applications[J]. IEEE Transactions Industrial Electronics，2000，47(2)：287-296.

[16]Salah C B，Ouali M. Comparison of Fuzzy Logic and Neural Network in Maximum Power Point Tracker for PV Systems [J]. Electric Power Systems Research，2011，81(1)：43-50.

[17]蔣亞娟. 光伏電池建模及其在光伏發(fā)電預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué)，2011. Jiang Yajuan. Modeling of Photovoltaic Cells and Its Application in Energy Prediction[D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2011.

（責(zé)任編輯：鄧光輝）

MPPT of PV Battery Array Based on Bilateral Disturbance Variable Step Size

Lei Min，Kong Lingqian，Deng Zhaojun，Li Dan
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

For photovoltaic battery array, the maximum power point tracking speed and tracking accuracy is difficult to taking into account simultaneously, proposes a MPPT control algorithm based on bilateral disturbance variable step length, namely two-way variable step perturbation and observation method. Simulates and comparative analyzes the algorithm with the incremental conductance method and the traditional perturbation and observation method. The results show that the algorithm can quickly track the maximum power point and improve the accuracy of 15 ms, and it has better timeliness.

photovoltaic battery array；MPPT；bidirectional variable step size；perturbation and observation method

附圖1 雙向擾動(dòng)觀察法的流程圖Fig.1 The flow chart of bi-directional perturbation and observation method

TM615

A

1673-9833(2015)02-0044-06

10.3969/j.issn.1673-9833.2015.02.008

2014-11-09

湖南省自然科學(xué)省市聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（13JJ9036），湖南工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（CX1303），湖南工業(yè)大學(xué)自然科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（2012HZX08）

雷 敏（1973-），女，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論及其在電網(wǎng)穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用研究，E-mail：leimin0606@hotmail.com