固定电流法与变步长扰动观察法结合的M算法研究

2012～2013学年度电气与电子工程学院研究生课程《太阳能光伏并网发电系统》课程报告固定电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究院系：电气与电子工程学院专业：应用电子工程系任课教师：学生姓名：学号：指导教师：二○一三年五月ABSTRACT:The output power of PV module is a non-linear function of temperature, solar insolation and loads, so it is necessary to track MPP of the PV array all the time. When the external environment rapidly changes，in order to regulate the PV array operating point near the maximum power point quickly, the online constant-current method to track MPP is utilized at first, and then the variable step P&O is adopted to adjust the PV array operating point to be at the maximum-power point. The simulation of the improved method and common methods show that, contrast to the latter, the former can trace the maximum-power point more quickly, efficiently and accurately, which is concise and easy to implement, and also can reduce the energy loss caused by the oscillation of the operating point about the maximum-power point, thus enhancing the PV system efficiency.KEYWORDS:Photovoltaic panel characteristics; maximum power point tracking; constant current method; variable perturb step perturbation and observation method摘要：光伏器件输出功率是外部环境、负载的非线性函数，为了充分发挥光伏器件的效能，需采用最大功率点跟踪方法进行控制。

当外界环境突变时，采用在线固定电流法进行初步跟踪，调整光伏阵列的工作点到最大功率点附近。

在此基础上再使用变步长扰动观察法，使得工作点进一步调节到最大功率点，并有效减少了光伏阵列输出功率在最大功率点的振荡。

对该结合方法及相关的MPPT算法分别仿真，结果表明，该方法可以在外界环境剧烈变化下快速、有效、准确地跟踪最大功率点，简明易于实现，同时有效减少在光伏阵列最大功率点附近振荡所带来的能量损失，提高了光伏发电系统的效率。

关键词：光伏电池特性；最大功率点跟踪；固定电流法；变步长扰动观察法1引言光伏电池是光伏发电系统电能的来源，光伏电池输出功率是其所受日照强度、器件结温的非线性函数。

即使在外部环境稳定的情况下，光伏电池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配时，光伏器件才会输出最大功率。

为了实时从光伏阵列获得最大输出功率，需要在光伏发电系统中实现最大功率点的跟踪控制。

通常的实现方法是需根据外部环境和负载情况不断调节光伏器件的工作点使其输出最大功率，我们将此功率调节过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。

MPPT电路常用的控制方法有固定参数法（如固定电压法、固定电流法）、扰动观察法及增加电导法等。

各种MPPT控制方法中，固定电流法和扰动观察法因简单有效而较常用，但各自也存在缺陷。

本文在分析固定电流法和扰动观察法的基础上，采用了一种固定电流法结合扰动观察法的MPPT控制。

在外界环境或负载突变时，采用在线固定电流法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近，以保证跟踪的快速性。

在此基础上，为进一步提高对光伏阵列的利用效率，在最大功率点附近，采用变步长扰动观察法，从而减小系统在最大功率点附近的振荡。

2光伏电池特性光伏电池单元是非线性器件，它的等效电路模型如图2.1所示。

图2.1中的电流源产生光生电流I ph，它的数值由光照强度与温度共同决定。

串联电阻R S与并联电阻R P用来表征太阳能电池内部的功率损耗。

由于太阳能电池表面的材料的电阻率，当电流经过太阳能板流向外部内路时，其必然为产生串联损耗，故引入串联电阻R S。

并联电阻R P表征由漏电流引起的损耗。

I phI图2.1 光伏电池等效电路根据图2.1可得光伏电池的输出电压V 和输出电流I 之间的关系式：()exp 1S S ph sat Pq V IR V IR I I I AKT R ⎧+⎫+⎡⎤=---⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭ (2.1) 其中I ph 代表光生电流，I sat 代表二极管反向饱和电流，A 是二极管特性因子，K 为玻耳兹曼常数，T 为外界环境绝对温度，R S 和R P 分别为光伏电池的串联和并联电阻。

虽然式(2.1)给出了准确的光伏电池I-V 关系式，但是等式中用到的参数I ph 、I sat 、A 、R S 、R P 并不由太阳能电池产商提供，因此难以确定其值。

太阳能电池产商只提供标准外界条件下太阳能电池板三个工作点的电压电流值，分别为开路电压V oc ，短路电流I sc 以及最大功率点的电压V MPP ，与电流I MPP 。

为了得到由上述四个参数所表示的太阳能电池I-V 关系式，在等价前提下变换式(2.1)。

在等式变换之前，先对式(2.1)进行两项近似：1.忽略()/S P V IR R +项，因为R P 很大，此项值远远小于I ph2.设定ph SC I I =，因为R S 远远小于二极管导通电阻在上述两项近似的前提下，代入三个工作点的电压电流值，分别为0I =时，OC V V =，0V =时，SC I I =以及MPP I I =时MPP V V =，从而解出121exp 1SC OC V I I C C V ⎡⎤⎛⎫=--⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦ (2.2) 其中12121exp 1ln 1MPP MPP SC OC MPP MPP OC SC I V C I C V V I C V I -⎧⎛⎫⎛⎫=--⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎨⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪=--⎢⎥ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎩(2.3) 只要根据光电池厂商提供的I SC 、V OC 、I MPP 、V MPP 等参数就可以确定该型光伏电池的输出模型。

但是由于厂家提供的这些参数一般是在标准温度T ref (°25C )和标准日照功率S ref (21000W/m )下的测试结果，在实际应用中还需要进行补偿。

补偿公式如下：()()11(1)ln()1(1)ln()ref ref SC SC ref OC OC MPP MPP ref MPPMPP T T T S S S S I I aT S V V cT e bS S I I aT S V V cT e bS =-⎧⎪=-⎪⎪⎪'=+⎪⎨⎪'=-+⎪'=+⎪⎪'=-+⎪⎩ (2.4) 其中，a 、b 、c 是常数，通常：0.0025/C a ︒=，0.5b =，0.0028/C c ︒=。

在实际应用中，只需测量出当时环境条件下的上述四个参数值，就可得到光伏电池的I —V 特性方程，这为后续的研究工作提供了基础。

以无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP0950S-36光伏阵列为例。

其提供的数据手册参数为 4.5A MPP I =、21.7V MPP V =、 4.8A SC I =、24.2V OC V =，且该光伏电池组由36块光伏电池串联组成。

按照上述方法，在不同光强和温度下对该光伏阵列进行Simulink 仿真。

光伏电池的仿真模型及仿真结果如图2.2和图2.3所示。

从图中可以看出，随着光强的减小，输出最大功率减小同时最大功率点处对应的电压减小。

图2.2 光伏电池仿真模型0500100015002000250030003500V (V)P (W )S=1000W/m 2S=800W/m 2S=600W/m 2S=400W/m 2S=200W/m 2图2.3 不同光强下光伏阵列的P-V 特性仿真曲线据此建立的光伏组件仿真模型可以模拟光伏电池在各种环境条件下的电气特性，并能模拟在外界环境变化过程中光伏电池的电气特性，为光伏系统的最大功率跟踪控制的仿真提供基础。

3 MPPT控制原理 MPPT 电路常用的控制方法有固定参数法(如固定电压法、固定电流法)、扰动观察法及增加电导法等。

固定参数法利用在最大功率点工作时光伏器件工作电压、电流与器件开路电压、短路电流的近似比例关系进行控制，此方法只需一个检测参数，控制简单易行，但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作，对系统运行存在干扰，此外所采用的控制关系是近似关系，不能实现最优控制，因此该方法控制精度低，仅适用于小功率场合。

扰动观察法是MPPT 控制中的一种常见方法。

扰动观察法控制思路如下：假设增加变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续增加，反之占空比减少；假设减少变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续减少，反之占空比增加。

占空比的改变值称为扰动步长Δd ，在选取扰动步长大小时要兼顾光伏发电系统动态特性及稳态特性。

扰动观察法虽然控制简单，控制效果也较好，但是在最大功率点附近存在功率振荡现象，且在日照突变的情况下有可能失去对最大功率点的跟踪。

从前面的分析可知，扰动观察法在日照稳定情况下MPPT 控制效果较好，对光伏器件的利用效果较高，但存在最大功率点处功率振荡的现象。

此外，在日照突变情况下会失去对MPPT 的控制能力。

固定电流法控制精度差，但是在外部环境突变情况下，仍能使光伏器件输出功率跟踪日照的变化。

为了使光伏发电系统能够快速响应日照变化，且能充分发挥光伏器件的作用，本文采用了将固定电流法和扰动观察法结合运用到MPPT 电路控制中的方法：当外部环境变化时，光伏器件的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用MPP SC I k I ≈⨯进行光伏器件输出功率的控制，因此只要知道I SC 就能使光伏器件的输出功率重新接近最大功率点。