韓 剛，閆智生

（1.沈陽工程學(xué)院 電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136；2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110866）

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是核心部件，其輸出功率受到環(huán)境中的溫度和光照強度影響，光伏電池在工作過程中都存在一個最大的輸出功率點。在不同環(huán)境下通過相關(guān)策略來使得光伏電池始終保持在最大功率輸出點，進而提高系統(tǒng)的發(fā)電效率，而在最大功率點的搜尋上，通常采用最大功率點追蹤法（MPPT，Maximum power point tracking）［1-2］。

1 最大功率點追蹤算法研究

1.1 MPPT工作原理

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池的輸出特性除了受到光照強度和溫度的影響外，與系統(tǒng)所連接的負(fù)載也有直接的關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)所連接的負(fù)載不同時，光伏電池對應(yīng)的輸出電壓、電流以及功率也隨之發(fā)生變化。由光伏電池的輸出P-U特性可知，在每個輸出電壓值處都對應(yīng)著一個功率值，該功率值在最大時必然對應(yīng)著最大的電壓，此時該功率和電壓對應(yīng)的坐標(biāo)點就是最大功率點。而在外界環(huán)境發(fā)生變化時，光伏電池的輸出特性也在隨時發(fā)生變化，為了使光伏電池始終保持在最大輸出功率點上，必須采用相關(guān)的控制方法來對最大功率點進行追蹤［3-5］。

1.2 常用MPPT算法分析

1）擾動觀察法

在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)過程中，擾動觀察法是一種較為常見的方法。在運行過程中主要通過添加擾動電壓ΔU，利用Ppv=Upv*Ipv計算出擾動后相應(yīng)的光伏陣列輸出功率。如果此時計算出的輸出功率增加，則表示在該擾動電壓的作用下，提高了光伏陣列的輸出功率，那么在下一次添加擾動電壓時，將會按照相同方向擾動，進而使得光伏陣列輸出功率持續(xù)增加。如果在擾動電壓的作用下，光伏陣列輸出的功率降低，那么為了提高光伏陣列的輸出功率，在下一次添加擾動電壓時將會按照相反的方向進行擾動。這種方法容易控制，在我國早期光伏發(fā)電項目中被廣泛應(yīng)用，但是由于這種方法在搜索過程中采用了定步長進行搜索，最后系統(tǒng)的跟蹤速度和準(zhǔn)確度較低，為此提出了變步長的擾動觀察法。在這種方法中，令步長為

式中，A1根據(jù)不同的情況進行設(shè)置，可以是恒定參數(shù)，也可以是變量。

此時的步長可以表示為

由式（1）和（2）可得：

式中，Uk、Uk-1分別表示光伏陣列在此刻和上一刻輸出電壓值；Step_max表示步長上限值；Step_min表示步長下限值。

圖1所示的是擾動觀察法原理。假設(shè)在k點處光照強度突減，此時a點和b點分別表示k-1和k時刻的工作點，而Uk-1、Uk則表示相應(yīng)的電壓值，Pk-1、Pk是其對應(yīng)的輸出功率值。如果ΔU=Uk-Uk-1＞ 0，ΔP=Pk-Pk-1＞ 0，ΔP/ΔU＞ 0，此時按照擾動觀察法基本原理，ΔP＞0將繼續(xù)按照原來的方向調(diào)整，這將導(dǎo)致工作點靠近最大功率點；如果ΔU=Uk-Uk-1＜0，ΔP=Pk-Pk-1＜0，ΔP/ΔU＞ 0，此時按照擾動觀察法原理，如果繼續(xù)施加同方向的擾動電壓，即ΔU＜0，這將導(dǎo)致工作點遠離最大功率點。

上述分析說明，擾動觀察法在運行過程中可能會出現(xiàn)誤判的情況，進而導(dǎo)致系統(tǒng)在最大工作點附近來回振蕩，使得逆變器的切換損耗增加。

為了驗證擾動觀察法在運行過程中會出現(xiàn)誤判的情況，搭建了相應(yīng)的仿真模型進行仿真。在仿真過程中，t=8 s時光照強度驟減，此時由圖2可以看出擾動方向出現(xiàn)了誤判情況，進而導(dǎo)致電壓的波動幅度較大，難以快速收斂。圖3是在系統(tǒng)誤判時的功率曲線，從圖中可以看出功率曲線的波動較大，難以快速收斂。

圖1 擾動觀察法原理

圖2 擾動方向誤判時光伏電池電壓跟蹤波形

圖3 擾動方向誤判時光伏電池輸出功率跟蹤波形

2）電導(dǎo)增量法

由上述分析可知，擾動觀察法在運行過程中會出現(xiàn)誤判現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)在最大功率點附近振蕩，影響系統(tǒng)收斂速度，增加了逆變器的切換損耗。為了解決這些問題，有人提出了改進的電導(dǎo)增量法，這種方法采用了梯度變步長來求取電導(dǎo)增量。在這方法中，如果工作點遠離了最大功率點后，步長將會變大；相反，如果工作點靠近最大功率點，此時步長將會減小。而步長的符號則可以根據(jù)式（4）進行判斷，進而在確定了方向后，通過改變步長來實現(xiàn)改變電壓變化量ΔU。雖然這種電導(dǎo)增量法相較于傳統(tǒng)的方法有了改進，但是在實際的運行過程中還會出現(xiàn)符號誤判的情況。圖4是k時刻光照強度突然降低導(dǎo)致工作點轉(zhuǎn)移示意圖。在k時刻光照強度突然降低，此時光伏陣列的工作點將從a變成b，進而有 dI=Ik-Ik-1，dU=Uk-Uk-1，而b在系統(tǒng)最大功率點的右側(cè)，按照電導(dǎo)增量法原理，此時dI/dU＜-Ik/Uk，但是實際的計算結(jié)果是dI/dU＞-Ik/Uk，出現(xiàn)了符號誤判的情況。

此外，這種方法在實際計算過程中，并未考慮光照強度突變導(dǎo)致的系統(tǒng)補償過大情況，這將會導(dǎo)致系統(tǒng)中的電壓和功率嚴(yán)重越限，進而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為了驗證電導(dǎo)增量法在運行過程中會出現(xiàn)誤判情況，搭建了相應(yīng)的仿真模型進行仿真。在仿真過程中，t=8 s時使光照強度突然降低，此時的電壓曲線如圖5所示，從圖中可以看出此時的電壓直接跌落為0。圖6所示的相應(yīng)功率曲線也隨之跌落為0，系統(tǒng)出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。

圖4 k時刻光照強度突然降低工作點轉(zhuǎn)移情況

圖5 光照強度驟減系統(tǒng)崩潰時的電壓波形

圖6 光照強度驟減系統(tǒng)崩潰時的功率波形

2 改進型MPPT算法

為了解決傳統(tǒng)的擾動觀察法和電導(dǎo)增量法在運行過程中出現(xiàn)的不足，本文提出了一種改進的MPPT算法。MPPT算法的具體流程如圖7所示，在搜尋最大功率點時，預(yù)先設(shè)置一個參考電流Iref，通過擬合分析，設(shè)置Iref為光伏陣列峰值電流的一半，此時如果環(huán)境中的光照強度沒有發(fā)生變化，即dI＜Iref，則使用變步長的擾動觀察法來搜索最大功率點；如果環(huán)境中的光照強度發(fā)生變化，即dI＞Iref，則對突變前的符號進行判斷，并計算出突變后步長的符號，再利用變步長的擾動觀察法來設(shè)置步長的上限值和下限值。

利用改進的MPPT算法進行控制時，在光照強度由1 000 W/m2突降到800 W/m2時的電壓變化波形和功率變化波形如圖8、圖9所示。從圖8中可以看出，此時在環(huán)境快速變化時電壓的波動較小，并且擁有更快的跟蹤速度。從圖9中可以看出，此時在環(huán)境快速變化時可以快速跟蹤最大功率，同時能 夠快速收斂。

圖7 改進型MPPT算法流程

圖8 改進型MPPT在光照強度驟減時的電壓波形

圖9 改進型MPPT在光照強度驟減時的功率波形

3 結(jié) 語

在建立的光伏電池數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，首先利用MATLAB搭建了相應(yīng)的輸出特性模型，研究了光伏電池在不同溫度和光照強度下的輸出特性；其次對常用的最大功率跟蹤點算法進行研究，并針對其中的不足之處進行了改進；最后利用仿真驗證了改進算法的有效性。