基于改进扰动观察法的光伏电池最大功率跟踪

根据式（１）～（１０）在 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境 下 建 立 光 伏电池仿真模型，封装后的模 型 见 图 ２，内 部 封 装 了电池参数（生产 厂 家 给 定 ）Ｔｒｅｆ、Ｓｒｅｆ、Ｉｓｃ、Ｉｍ 、Ｖｏｃ、 Ｖｍ 及 系 数ａ、ｂ、ｃ。 封 装 模 块 的 输 入 为 当 前 的 Ｓ、 Ｔ、Ｖ，输出为Ｉ，模块中用 Ｏｕｔ１表示。
先让光伏电池 按 某 一 电 压 值 输 出，根 据 公 式 Ｐ＝ＶＩ 计算扰动前光伏电池的输出功率，测得其 输出功率，然后在 此 电 压 的 基 础 上 给 一 个 扰 动 再 计 算 输 出 功 率 ，比 较 前 后 两 次 测 得 的 两 个 功 率 值 。 若 功 率 值 增 加 ，则 继 续 给 相 同 方 向 的 扰 动 ；若 功 率 值减少 了，则 给 反 方 向 的 扰 动，见 图 ５。 图 中，Ｐｋ 为 当 前 的 采 样 值 ，Ｐｋ－１为 上 一 次 的 采 样 值 。 在 整 个 扰动过程的同时不断比较Ｖ 与Ｖｍ，若｜Ｖ－ Ｖｍ｜≤ ｔｈ，则减小扰动步长（ｔｈ 为门槛值）。
简化的Ｉ－Ｖ 特性方程 为 ［３］ ：
Ｉ ＝Ｉｓｃ［１－Ｂ１（ｅ（Ｂ２ＶＶｏｃ） －１）］
（１）
式中，Ｉ 为光伏 电 池 的 输 出 电 流；Ｂ１、Ｂ２ 为 待 定 系
图 １ 光 伏 电 池 的 等 效 电 路
Ｆｉｇ．１ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ ｃｅｌｌｓ
本文采用改进 的 扰 动 观 察 法 实 现 ＭＰＰＴ，在 传统的扰动观察法的基础上加一个电压检测判断 部分，在检测到达最大功率点附近时就减小扰动步 长，这样可在 最 大 功 率 点 外 取 较 大 的 扰 动 步 长 ，以 提高响应速度，又可在最大功率点附近取较小的扰 动步长，提高跟踪精度，减少摇摆造成的能量损失。
得 Ｐｋ＝ＶｋＩｋ。 比 较 ｋ 点 与ｋ－１ 点 功 率 值 的 大 小，若 功 率 增 加，采 样 方 向 不 变，否 则 改 变 采 样 方
向。 在扰动的同时判断Ｖｋ－ Ｖｍ，若｜Ｖｋ－ Ｖｍ｜≤ ｔｈ，则步长变为 Ｄｍ（Ｄｍ＜Ｄ）。
１ 光伏电池模型及输出特性
１．１ 光 伏 电 池 实 用 数 学 表 达 式
光伏电池是利用 某 些 材 料 组 成 的 半 导 体 ＰＮ
节受到太阳光照 时 产 生 光 伏 效 应，直 接 将 太 阳 辐
射能转换成电能。图１为光伏电池的等效电路。
建 立 实 用 数 学 表 达 式 时 ，需 做 一 些 近 似 处 理 。
第３０卷 第１０期 ２ ０ １ ２年１ ０月
文 章 编 号 ：１０００－７７０９（２０１２）１０－０２０４－０５
水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ
Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２ ０ １ ２
基于改进扰动观察法的光伏电池最大功率跟踪
谢 玲 玲１，时 斌１，马 在 涛２，华 国 玉３
１．３ 光 伏 电 池 输 出 特 性 由文献［３］可知型号为 ＣＮ－２００Ｓ的 光 伏 电 池
标况下 参 数 为：Ｔｒｅｆ＝２５ ℃、Ｓｒｅｆ＝１ ０００ Ｗ／ｍ２、 Ｐｍ ＝２００ Ｗ、Ｉｓｃ＝７．４４Ａ、Ｉｍ＝６．９４Ａ、Ｖｏｃ＝３５．５ Ｖ、Ｖｍ ＝２８．８Ｖ，系 数ａ＝０．００２ ５／℃ 、ｂ＝０．５、ｃ＝ ０．００２ ８８／℃。改 变 Ｓ、Ｔ 可 仿 真 不 同 温 度、光 照 条件下光伏电池的输出特性。光伏电池在固定温 度下（Ｔ＝２５ ℃），Ｉ－Ｖ、Ｐ－Ｖ 特 性 随 光 照 强 度 变 化 规律见图 ３。由 图 可 看 出：① 光 照 越 强，电 池 的 输 出电流越大；②最大功率 Ｐｍ 随 光 照 强 度 的 下 降 而 显著 减 小 ，最 大 功 率 点 电 压 Ｖｍ 变 化 并 不 明 显 ；③ 随 着端电压Ｖ 的上升，输出功率 Ｐ 先增加再减小，说 明存在一个最大功率点；④ 在不同光照强度下，光 伏电池的最大功率点电压变动在一定的范围内。
（ＭＰＰＴ），阐述了其实现策略并进行仿真验证。结果表明，外界温度、光照变化条件下该 方 法 可 精 确 跟 踪 光 伏
电 池 的 最 大 功 率 点 ，实 现 光 伏 电 池 的 高 效 转 换 。
关 键 词 ：光 伏 电 池 ；改 进 的 扰 动 观 察 法 ；Ｂｏｏｓｔ电 路 ；最 大 功 率 点 跟 踪 ；仿 真
（１．东南大学 电气工程学院，江苏 南京 ２１００９６；２．华能澜沧江水电有限公司， 云南 普洱 ６６５００５；３．三峡大学 电气与新能源学院，湖北 宜昌 ４４３００２）
摘要：有效地提高光伏电池的利用率对光伏系统至关重要，为此建立了具有通用性的光伏电池 工 程 实 用 模 型
及相 应 的 Ｂｏｏｓｔ转 换 电 路，采 用 改 进 的 扰 动 观 察 法 控 制 Ｂｏｏｓｔ电 路 占 空 比 实 现 光 伏 电 池 最 大 功 率 跟 踪
图３ 随光照强度变化Ｉ－Ｖ、Ｐ－Ｖ 特性曲线 Ｆｉｇ．３ Ｉ－Ｖ，Ｐ－Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｗｉｔｈ ｌｉｇｈｔ ｃｈａｎｇｅ
光伏电池在固定光照 （Ｓ＝１ ０００ Ｗ／ｍ２）下， Ｉ－Ｖ、Ｐ－Ｖ 特性随温度变化的 规 律 见 图 ４。 由 图 可 看出：① 温度对 电 池 输 出 电 流 的 影 响 并 不 大 （通 常１ｄ的温度变化不会超过 ５０ ℃）；② 最 大 功 率 Ｐｍ 随温度的上 升 而 减 小，变 化 不 明 显；③ 在 不 同 温度下，光伏电池 的 最 大 功 率 点 电 压 变 动 在 一 定 的范围内。
ΔＴ ＝ Ｔ －Ｔｒｅｆ
（５）
ΔＳ ＝ Ｓ／Ｓｒｅｆ －１
（６）
Ｉｓｃ－ｎｅｗ ＝Ｉｓｃ（Ｓ／Ｓｒｅｆ）（１＋ａΔＴ）
（７）
Ｉｍ－ｎｅｗ ＝Ｉｍ（Ｓ／Ｓｒｅｆ）（１＋ａΔＴ）
（８）
Ｖｏｃ－ｎｅｗ ＝Ｖｏｃ［（１－ｃΔＴ）ｌｎ（ｅ＋ｂΔＳ）］ （９）
收 稿 日 期 ：２０１２－０２－０７，修 回 日 期 ：２０１２－０４－１７ 作 者 简 介 ：谢 玲 玲 （１９８６－），女 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 电 力 系 统 运 行 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉｅｌｉｎｇｌｉｎｇ－２００８＠１６３．ｃｏｍ
２．２．２ 基于改进扰动观察法的 ＭＰＰＴ 模型
改进的扰动观察法通过改变 Ｂ 最 大 功 率 点 靠 近 ，同 时 计 算 出
参考电压 Ｖｒｅｆ用 于 产 生 ＰＷＭ 的 控 制 信 号，控 制 Ｂｏｏｓｔ电路的开关管，流程图见图 ７。图中，Ｖｋ、Ｉｋ 为当前时刻ｋ 的 采 样 值，根 据 这 两 个 值 计 算 功 率
由式（３）、（４）可 知，当 电 池 参 数 Ｉｓｃ、Ｉｍ、Ｖｏｃ、 Ｖｍ为已知时，Ｂ１、Ｂ２为 常 数，代 入 式 （１）可 得 光 伏 电池的Ｉ－Ｖ 特性。
当 光 照 强 度 或 温 度 变 化 时 ，由 当 前 状 态 下 （当
前的光照强度为 Ｓ，温度 为 Ｔ）的 电 池 参 数Ｉｓｃ－ｎｅｗ、 Ｉｍ－ｎｅｗ、Ｖｏｃ－ｎｅｗ、Ｖｍ－ｎｅｗ 进 而 得 出 Ｂ１－ｎｅｗ、Ｂ２－ｎｅｗ，新 状 态 下的电池参数即为：
中 图 分 类 号 ：ＴＭ６１５
文 献 标 志 码 ：Ａ
光伏电池阵列是整个光伏系统的核心部分， 但其输出特性与 周 围 环 境 有 着 密 切 的 关 系，温 度 与光照强 度 的 变 化 均 可 导 致 输 出 发 生 较 大 的 变 化 ，且 电 能 转 换 效 率 较 低 ，因 此 有 效 地 提 供 光 伏 电 池的利用率已成为太阳能光伏系统研究领域的热 点。于是，使光伏 电 池 始 终 能 输 出 当 前 光 照 和 温 度下的最大功 率 点 跟 踪 （ＭＰＰＴ）技 术 应 运 而 生。 通常 ＭＰＰＴ 方法 有 定 电 压 法、电 导 增 量 法、模 糊 控 制 法 、扰 动 观 察 法 等 。 定 电 压 法 虽 控 制 简 单 ，但 跟 踪 精 度 不 足 ；电 导 增 量 法 有 很 好 的 跟 踪 精 度 ，但 控制结构复杂；模 糊 控 制 法 能 有 效 跟 踪 最 大 功 率 点，但 运 算 量 大，且 模 糊 规 则 无 统 一 的 设 计 方 法， 工程上较少使用 。 ［１］ 传统的扰动观察法跟踪 步 长 大小的选取对跟 踪 精 度 和 响 应 速 度 影 响 很 大，无 法兼顾 。 ［２］ 鉴此，本 文 在 对 光 伏 电 池 的 特 性 进 行 分 析 的 基 础 上 ，提 出 了 改 进 的 扰 动 观 察 法 ，通 过 设 置 电 压 门 槛 值 、变 换 扰 动 步 长 跟 踪 最 大 功 率 点 ，实 现 最 大 功 率 点 跟 踪 ，并 进 行 了 仿 真 验 证 。
Ｖｏ ＝Ｖｉ／（１－ｄ）
（１１）
Ｉｏ ＝Ｉｉ（１－ｄ）
（１２）
Ｒｉ＝Ｖｉ／Ｉｉ ＝ （Ｖｏ／Ｉｏ）（１－ｄ）２ ＝Ｒ（１－ｄ）２ （１３）
由式 （１１）～ （１３）可 看 出，开 关 占 空 比 ｄ 越
大 ，Ｂｏｏｓｔ电 路 输 出 电 压Ｖｏ越 大 ，输 出 电 流Ｉｏ也 越 大，Ｒ 固 定 不 变 时，等 效 输 入 阻 抗 Ｒｉ就 越 小；ｄ 越 小时，Ｖｏ越小，Ｉｏ也越小，输入阻抗 Ｒｉ就越 大。 所 以，通过 调 节 ｄ 就 可 调 节Ｒｉ值，当 Ｒｉ与 光 伏 电 池 输出阻抗相匹配时，可实现 ＭＰＰＴ 调节。
２．１ 基于改进的扰动观察法的 ＭＰＰＴ 原理 光伏电池在一定的温度光照条件下其输出为
单凸峰形曲线。当光伏电 池 的Ｖ ＝Ｖｍ 时，光 伏 电 池 的 Ｐ＝Ｐｍ ，同 时 电 流Ｉ＝Ｉｍ 、光 伏 电 池 的Ｖ ＜Ｖｍ 时，光伏电池的 Ｐ 随 电 池 Ｖ 上 升 而 增 加；当 电 池 的Ｖ＞Ｖｍ 时，电池的 Ｐ 随Ｖ 上升而减小［４，５］。即可 通过控制端电压，使光伏电池能工作在最大功率点。
图４ 随温度变化Ｉ－Ｖ、Ｐ－Ｖ 特性曲线 Ｆｉｇ．４ Ｉ－Ｖ，Ｐ－Ｖ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｗｉｔｈ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ