摘 要： 為了提高光伏電池發(fā)電效率，在傳統(tǒng)MPPT控制方法的基礎(chǔ)上提出了基于恒定電壓法的變步長滯環(huán)控制法，通過分析光伏電池受光照強度的影響和在最大功率點附近的功率特性，確定了電壓擾動步長值，并在MATLAB/Simulink仿真平臺上建立了MPPT仿真模型，對該算法進行了驗證。仿真結(jié)果表明，該算法在光照突變時仍能實時地跟蹤光伏電池的輸出功率，并能有效地抑制在MPP點附近的振蕩現(xiàn)象，表現(xiàn)出很好的動態(tài)特性，證明了該算法的有效性和正確性。
關(guān)鍵詞： 光伏電池；變步長；滯環(huán)；最大功率點跟蹤
0 引言
太陽能由于儲量大、清潔、可再生且不受地域限制，應(yīng)用越來越廣泛，但太陽能受季節(jié)和時間的影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電輸出功率不能穩(wěn)定地使用。為了有效地提高太陽能發(fā)電效率，提高供電質(zhì)量，光伏系統(tǒng)往往采用最大功率點跟蹤（MPPT）技術(shù)對光伏電池的輸出功率進行實時跟蹤，最大限度地利用太陽能。目前常用的最大功率點跟蹤方法主要有恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、擾動觀察法[1]等。
恒定電壓法[2]實際上是對MPPT方法的近似，算法的適應(yīng)性差，跟蹤精度不高。電導(dǎo)增量法對系統(tǒng)的硬件要求較高，需要精確測量電流電壓值。擾動觀察法是根據(jù)相鄰兩個采樣周期的功率變化來決定下一時刻的擾動方向。本文提出了將恒定電壓法和擾動觀察法結(jié)合起來的方法，在綜合了各自的優(yōu)勢后，在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建了系統(tǒng)的仿真模型，并對算法進行了驗證。仿真結(jié)果表明，該MPPT算法能明顯改善系統(tǒng)的性能。
1 光伏電池模型分析
光照下光伏電池的實際等效電路如圖1所示，圖中考慮了光伏電池本身電阻對其特性的影響。
圖1中，Rs為硅片的固有電阻，Rsh為PN結(jié)的分路電阻，一般Rs<<Rsh。由電路理論知識可知，實際的負載電流為：
由式（1）、（2）、（3）可得：IR為光伏電池的輸出電流；UR為光伏電池輸出電壓；q為電荷常數(shù)，q=1.9×10-19；K為玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10-23；T為光伏電池的溫度；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻[3]。
由以上分析可知，溫度一定時，光照主要影響光伏電池的輸出電流，光照強度一定時，溫度主要影響光伏電池的輸出電壓[1]。一定溫度和一定光照強度下的P-U及I-U曲線，如圖2所示。
從圖2中可以看出，光伏電池最大功率點和電流不是一致的。由此可見，要想得到最大功率輸出，必須對其輸出功率進行控制。
2 滯環(huán)控制變步長MPPT算法
2.1滯環(huán)比較法
滯環(huán)比較法的原理是當功率在設(shè)置的滯環(huán)內(nèi)時，光伏電池的工作點電壓保持不變，只有當功率的波動量超出設(shè)置的滯環(huán)時，才按照一定的規(guī)律改變工作點，針對光伏電池的P-U特性，其滯環(huán)控制環(huán)節(jié)如圖3所示[4]。
如果以A為工作點，在其兩邊相同距離取擾動點B和C，并且A、B、C三點的功率分別記為PA、PB、PC。由于擾動觀察法比較的是相鄰兩個采樣點之間功率的大小，即PA和PB或者PA和PC，分別進行獨立的比較?，F(xiàn)在取PA>PC記為+，否則為-；PB≥PA記為正（+），否則為負（-）。由分析可知，有效的比較結(jié)構(gòu)有3種，如圖4所示。
由圖4可知，如果PA>PC∩PB≥PA，則電壓擾動保持原來的方向；如果PA<PC∩PB<PA，則電壓擾動方向相反；如果PA<PC∩PB≥PA或者PA>PC∩PB<PA，則表明可能已經(jīng)搜索到最大功率點或者外部光照強度變化很快，電壓保持不變，可以較好地抑制最大功率點附近的振蕩現(xiàn)象[5]。
2.2擾動步長的確定
常用的步長確定方法有梯度法、牛頓迭代法等，但這些算法往往會造成迭代步長過大使系統(tǒng)發(fā)生較大振蕩，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文所采用的控制方法是通過對光伏電池輸出電流電壓采樣，然后再判斷前后采樣周期功率的變化方向的方法[6]，即在MPP點附近采用的變步長的方法，原理[6]如下：
式（4）[6]中，P（k）和P（k-1）分別表示k和k-1時刻的采樣功率。在采用恒壓控制時，系統(tǒng)將參考電壓值直接拉至MPP附近，采用逐步逼近的方式搜索最大功率，此時系統(tǒng)需要微小的擾動量，即要求?駐U很小。當比較采樣點功率時，由于P（k）和P（k-1）比較接近，U較小，這就避免了因為過大的擾動步長而在MPP點附近發(fā)生振蕩的情況[6]，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.3 基于恒壓和變步長滯環(huán)控制結(jié)合的MPPT控制法
恒壓法是基于在最大功率點處的電壓值幾乎為一個固定值原理。通?？梢愿鶕?jù)實際系統(tǒng)設(shè)定的一個固定電壓值，使得系統(tǒng)始終保持運行在該設(shè)定電壓下從而近似地獲得最大輸出功率。當外界環(huán)境較為穩(wěn)定時，可以近似地認為光伏電池工作在最大功率點處。
擾動觀察法是通過控制電路開關(guān)信號的占空比來改變電路的輸出功率，進而根據(jù)輸出功率的變化控制達到最大功率。擾動觀察法是目前最為成熟的方法，它需要的硬件電路少，節(jié)省成本，但其跟蹤的速度慢，特別在光照變化較快的情況下很容易出現(xiàn)誤判，造成能量的損失。基于恒壓法與變步長的滯環(huán)控制法相結(jié)合的MPPT控制法，先采用恒壓法進行控制，使光伏系統(tǒng)工作在最大功率點附近，再通過較小步長的擾動使光伏組件的工作點向最大功率點移動，最后穩(wěn)定在最大功率點，其控制流程[4]如圖5所示。
3 仿真結(jié)果對比分析
本文的最大功率點跟蹤（MPPT）采用基于Boost電路作為光伏電池的負載，通過調(diào)節(jié)占空比控制電路的關(guān)斷，從而實現(xiàn)MPPT。系統(tǒng)整體的仿真模型如圖6所示，仿真結(jié)果波形如圖7~圖10所示。
（其中定步長的步長值為0.001）
當溫度一定時，當t=0.3 s時，光照強度從500 mW/cm2變化到800 mW/cm2。從仿真圖可知，定步長產(chǎn)生了較大的振蕩，造成了較大的能量損失。圖8和圖9分別給出了光照劇烈變化（0時刻，500 mW/cm2；0.025 s時刻， 1 000 mW/cm2；0.05 s時刻，800 mW/cm2；0.075 s時刻，1 000 mW/cm2）時，Boost電路中，由于電感的作用使得負載電流更加平滑，沒有出現(xiàn)電流激增的情況，從而可以保證負載的穩(wěn)定運行；由于采用了變步長的MPPT控制策略，光伏電池輸出功率特性得到了很大的改善，尤其是在光照突變的時刻，輸出功率平穩(wěn)上升或者下降，并且很快達到了穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)的快速性得到了提高。仿真實驗從理論上證明了該算法的正確性。
本系統(tǒng)采用恒定電壓法與滯環(huán)比較控制相結(jié)合的方法。經(jīng)過多次的試探，當系統(tǒng)的定電壓Um=0.8Uoc時，系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，能很好地適應(yīng)光照突變的情形。從仿真結(jié)果看，本系統(tǒng)MPPT對各種光強都有很高的轉(zhuǎn)化效率，均能很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，使其最大限度地利用太陽能。
4 結(jié)論
本文在傳統(tǒng)的MPPT控制方法基礎(chǔ)上，提出了基于恒壓和變步長滯環(huán)控制相結(jié)合的MPPT控制法，分別通過MATLAB/Simulink平臺仿真分析，與相同條件下的定步長控制方法進行比較。仿真結(jié)果表明，該算法對光照迅速變化的情況具有很強的適應(yīng)性，并且可以很好地跟蹤光伏電池的輸出功率，抑制了定步長在MPP點附近的振蕩現(xiàn)象。本文的研究結(jié)果對于開發(fā)性能更為優(yōu)異的MPPT算法具有一定的指導(dǎo)意義，但本文是基于恒定溫度條件進行分析的，對于溫度變化的情況，是下一步研究的方向。
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