徐高晶 陳 婷 徐 韜

（1.國網(wǎng)電力科學(xué)研究院南京南瑞智源電氣技術(shù)有限公司，南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，南京 210009）

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源和環(huán)境成為人們面對的緊要問題。太陽能作為一種廣泛分布的清潔可再生能源有很好的應(yīng)用前景[1]，其中太陽能光伏發(fā)電技術(shù)得到了大量研究和應(yīng)用，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池的內(nèi)部特性有關(guān)外，還受使用環(huán)境如輻照度、負(fù)載和溫度等因素的影響。在不同的外部環(huán)境下，光伏電池可運(yùn)行在不同且惟一的最大功率點(diǎn)（Maximun Power Point，MPP）上。因此對光伏發(fā)電系統(tǒng)來說，應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度的將光能轉(zhuǎn)化為電能[2]。

目前常用的實(shí)現(xiàn)MPPT的方法有導(dǎo)納增量法、擾動(dòng)觀測法等。導(dǎo)納增量法是利用光伏電池在MPP處輸出功率對電壓的導(dǎo)納為零來跟蹤MPP，該方法控制效果好，控制穩(wěn)定度較高，但是控制算法復(fù)雜，對采樣的精確度要求很高[3]。擾動(dòng)觀測法是根據(jù)光伏電池的輸出功率的變化趨勢來擾動(dòng)光伏電池的輸出電壓，使光伏電池最終工作于最大功率點(diǎn)。但振蕩和誤判問題的存在，使系統(tǒng)不能準(zhǔn)確地跟蹤到最大功率點(diǎn)，造成了能量損失[2]。

綜上所述，以傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測法為基礎(chǔ)提出的變步長滯環(huán)比較法不但在克服最大功率點(diǎn)跟蹤過程中的振蕩和誤判方面均有較好的性能，且能兼顧到速度和精度的要求，更加準(zhǔn)確地跟蹤光伏電池的最大功率點(diǎn)，從而提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

1 光伏電池特性分析

1.1 光伏電池的等效電路

光伏電池實(shí)際上就是一個(gè)大面積平面二極管，可以用圖 1的單二極管等效電路來描述。圖中 RL是光伏電池的外接負(fù)載，負(fù)載電壓（亦即光伏電池的輸出電壓）為UL，負(fù)載電流為IL。

由圖1，可得負(fù)載電流IL為

圖1 光伏電池的等效電路

式中，ISC為光子在光伏電池中激發(fā)的電流；IDO為光伏電池在無光照時(shí)的飽和電流；q為電子的電荷，1.6×10-19C；RS為串聯(lián)電阻（由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻、電極與硅表面間電阻所組成）；A為一個(gè)常數(shù)因子（正偏電壓大時(shí)A值為1）；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38×10-23J/K；Rsh為并聯(lián)電阻（有硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的）。

1.2 光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型及輸出特性

一般光伏電池，串聯(lián)電阻 Rs很小，并聯(lián)電阻Rsh很大，在進(jìn)行理想電路計(jì)算時(shí)可忽略不計(jì)，理想光伏電池的特性為

設(shè)在參考條件下，Isc為其短路電流，Uoc為其開路電壓，Im，Um為最大功率點(diǎn)電流和電壓，則當(dāng)光伏陣列的電壓為Vpv時(shí)，其對應(yīng)的電流為Ipv，根據(jù)光電池廠提供的 Im，Um，Isc，Uoc等參數(shù)就可以確定該光伏電池的輸出特性，但是由于廠商提供的這些參數(shù)一般是在標(biāo)準(zhǔn)溫度（Tref=25℃）和標(biāo)準(zhǔn)日照功率（Sref=1000W/m2）下的測試結(jié)果，在實(shí)際應(yīng)用中還需要進(jìn)行補(bǔ)償[4]，可以根據(jù)得到[2]

基于式（3），我們使用Matlab搭建了光伏電池的仿真模型如圖 2所示。參數(shù)為：電流變化溫度系數(shù)a=0.015Amps/℃，電壓變化溫度系數(shù) b=0.700V/℃，Isc=5.45A，Uoc=22.2V，Im=4.95A，Um=17.2V。

圖2 光伏陣列Matlab仿真模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

封裝后的PV模塊如圖3所示。

圖3 光伏陣列Matlab仿真模型封裝

模擬光照強(qiáng)度從 1000W/m2遞變到200W/m2時(shí)系統(tǒng)的輸出性能，如圖4所示。

由圖 4可知，光伏器件輸出功率 Ppv與輸出電壓Upv，電流Ipv呈非線性關(guān)系，在不同的環(huán)境即溫度，日照強(qiáng)度下，光伏器件存在唯一最大輸出功率點(diǎn)。當(dāng)光伏器件置于室外環(huán)境時(shí)，由于外部環(huán)境不斷改變光伏器件最大功率也隨之改變。

圖4 給定光照曲線下光伏陣列的輸出特性

2 變步長滯環(huán)比較法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)

工作點(diǎn)到達(dá)最大功率點(diǎn)附近時(shí)，對于定步長的擾動(dòng)方式，會(huì)出現(xiàn)工作點(diǎn)跨過最大功率點(diǎn)的情形，但改變擾動(dòng)方向后，工作點(diǎn)電壓與最大功率點(diǎn)電壓的差值還是小于步長，無法達(dá)到最大功率點(diǎn)，這種由于擾動(dòng)步長一定所導(dǎo)致的工作點(diǎn)在最大功率點(diǎn)兩側(cè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的情形，就是擾動(dòng)觀測法的振蕩現(xiàn)象。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光伏電池的輸出功率特性曲線也發(fā)生變化，會(huì)出現(xiàn)一段時(shí)間內(nèi)工作點(diǎn)序列位于不同的Ppv-Upv特性曲線上的情形。此時(shí)對于不同的 Ppv-Upv特性曲線上的工作點(diǎn)繼續(xù)使用針對于固定特性曲線的判據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)擾動(dòng)方向與實(shí)際功率變化趨勢相反的情形，就是擾動(dòng)觀測法的誤判現(xiàn)象。

2.1 變步長滯環(huán)比較法原理

從控制角度而言，抑制振蕩可以采用具有非線性特性的滯環(huán)控制策略，針對光伏電池的 Ppv-Upv特性，其滯環(huán)控制環(huán)節(jié)如圖5所示。

圖5 滯環(huán)技術(shù)示意圖

當(dāng)功率在所設(shè)的滯環(huán)內(nèi)出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，光伏電池的工作點(diǎn)電壓保持不變，只有當(dāng)功率的波動(dòng)量超出所設(shè)的滯環(huán)時(shí)，才按照一定的規(guī)律改變工作點(diǎn)電壓?？梢姕h(huán)的引入，可以有效地抑制擾動(dòng)觀測法的振蕩現(xiàn)象。實(shí)際上可以將誤判看成是外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)的一種動(dòng)態(tài)的振蕩過程，因此該方法也可以克服擾動(dòng)觀測法的誤判現(xiàn)象。

2.2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

雖然滯環(huán)比較法可以較大程度地避免振蕩和誤判現(xiàn)象，但如果步長過大，工作點(diǎn)可能會(huì)停在離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)的區(qū)域，如果步長過小，在新一輪開始搜索時(shí)，工作點(diǎn)會(huì)在遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)區(qū)域內(nèi)長時(shí)間地搜索，因此速度和精度的矛盾依然存在，采用變步長的滯環(huán)比較法便可以解決這一矛盾，具體流程圖如圖6。

圖6 變步長滯環(huán)比較法流程圖

其原理如下：

在太陽能電池P-V特性曲線頂點(diǎn)附近從左至右依次取C，A，B三點(diǎn)，設(shè)變化標(biāo)志m，擾動(dòng)量為n，PC，PA，PB對應(yīng)于 A，B，C 三點(diǎn)的功率，規(guī)定當(dāng) PB≥PA時(shí)，m=1，PB＜PA時(shí)，m=-1；當(dāng) PA≥PC時(shí)，m=1，當(dāng)PA＜PC時(shí)，m=-1。這樣根據(jù)m的值就可以做出擾動(dòng)方向的判斷。

（1）m=2，PB≥PA&PA≥PC，增加擾動(dòng)量，增加步長，令n=2n；

（2）m=0，PC＜PA& PB＞PA，達(dá)到最大點(diǎn)；

（3）m=-2，PB＜PA&PA＜PC，減小擾動(dòng)量減小步長，令n=n/2。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所提出方法的正確性，把MPPT控制系統(tǒng)串入Boost變換器電路中，在Matlab/Simulink仿真軟件下搭建的仿真模型中，編寫 S函數(shù)作為MPPT的控制模塊，對光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，MPPT的仿真模型如圖7所示。為了形成對比，對采用擾動(dòng)觀測法和變步長的滯環(huán)比較法MPPT控制方法進(jìn)行了仿真。

圖7 光伏并網(wǎng)Matlab仿真模型

根據(jù)圖7的光伏系統(tǒng)仿真模型，分別在MPPT模塊應(yīng)用擾動(dòng)觀察法和變步長的滯環(huán)比較法對外界條件變化后的某一瞬間進(jìn)行仿真，如圖 8，圖 9所示。由圖8可以看出擾動(dòng)觀察法在0.004s左右即可達(dá)到最大功率點(diǎn)，波形在往后的范圍內(nèi)處于震蕩較明顯的情況。而圖9的變滯環(huán)比較法在0.00025s處即已達(dá)到最大功率點(diǎn)且波動(dòng)比較小，說明變步長的滯環(huán)比較法的確在原來擾動(dòng)觀察法的基礎(chǔ)上無論是從精度還是速度方面都有了一定程度的改進(jìn)，從而提高了光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

圖8 基于擾動(dòng)觀察法的光伏電池輸出功率仿真波形圖

圖9 基于變步長的滯環(huán)比較法的光伏電池輸出功率仿真波形圖

4 結(jié)論

本文對光伏電池特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，針對光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問題進(jìn)行了研究，提出了基于擾動(dòng)觀察法的變步長滯環(huán)比較法。變步長的滯環(huán)比較法的最大優(yōu)點(diǎn)是通過雙向擾動(dòng)確認(rèn)的方法來保證擾動(dòng)觀測法的動(dòng)作可靠性，以避免誤判的發(fā)生，同時(shí)在搜索過程中不斷調(diào)整搜索的步長，也有效的抑制了最大功率點(diǎn)附近的振蕩。仿真結(jié)果表明，該算法具有很好的跟蹤速度和精度，是一種比較理想的控制方法，但是穩(wěn)定性方面還需要改進(jìn)。

[1]朱銘煉,李臣松,陳新等.一種應(yīng)用與官府系統(tǒng) MPPT的變步長擾動(dòng)觀察法[J].電力電子技術(shù),2010,44(1):20-22.

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