基于扰动观察法的MPPT控制优化策略

摘 要：为了提高光伏发电系统的充电效率,系统控制器采用高性能低功耗的ATmega16单片机为核心，通过调节PWM波占空比实时改变Buck变换器的输出电压，采用扰动观察法的MPPT控制策略，实现对光伏发电系统最大功率点的跟踪。针对扰动观察法跟踪过程中可能由于快速扰动导致功率振荡和误判的问题，系统对MPPT算法进行优化，并通过友好的人机界面实时显示最大功率曲线图。测试结果表明, 该方法能够保证光伏发电系统快速、稳定、精确地跟踪最大功率点，提高了充电效率。

关键词：光伏发电系统； MPPT； 扰动观察法； 算法优化

中图分类号：TN911-34 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0206-03

Optimized MPPT Control Strategy Based on Perturbation and Observation Method

HUANG Li-ming, LIAN Yong-sheng, CHEN Biao-long, LIN Pei-jie, CHENG Shu-ying

(College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China)

Abstract： In order to improve the charging efficiency of photovoltaic system, the system controller takes the high-performance low-power ATmega16 microcontroller as a core, changes the output voltage of Buck converter in real-time by adjusting the PWM duty cycle, and uses the MPPT control strategy of perturbation and observation method to achieve tracking of maximum power point of the photovoltaic power generation system. The MPPT algorithm was optimized to solve the problems of power oscillations and misjudgment probably caused by rapid perturbation during the tracking with perturbation and observation method. The real-time maximum power graph of the system is shown by a friendly man-machine interface. The testing results indicate that the method can ensure PV system to realize MPPT fast, steadily and accurately, and improve the charging efficiency.

Keywords： PV system; MPPT; perturbation and observation method; algorithm optimization

随着能源危机的加重和人们对清洁能源的广泛使用,光伏发电技术已越来越被人们所重视。光伏发电系统中，最大功率点跟踪（MPPT）对于提高光伏系统的充电效率至关重要 [1-2 ]。目前，国内外对MPPT控制策略做了许多研究，常用的最大功率跟踪控制方法有：固定电压法、扰动观察法、增量电导法和模糊逻辑控制法等 [3-5 ]。其中，扰动观察法以其控制思路简单，算法易于实现而在实际工程中得到了广泛应用。但是，一般的扰动观察法存在一个缺点：在跟踪过程中快速扰动可能导致功率振荡和误判，从而产生能量损耗，影响MPPT的实际效果 [6-7 ]。

本文针对上述缺点，在实际光伏发电系统的设计中，对扰动观察法MPPT控制策略进行优化，并通过友好的人机界面实现实时显示最大功率曲线图，较好解决了MPPT算法稳定性不足的问题。

1 光伏发电系统MPPT的硬件结构

一般的光伏系统由太阳能电池板、充电电路、蓄电池、放电电路、负载等组成。本文重点研究充电电路中的MPPT控制策略，探讨如何跟踪太阳能板的最大功率点，提高光伏系统的充电效率。MPPT控制的硬件结构框图如图1所示，系统中采用高性能低功耗的ATmega16单片机为控制核心，充电电路采用Buck变换器。单片机实时采集太阳能板的输出电压、输出电流，并计算输出功率，通过调节PWM波占空比，控制Buck变换器的MOS管开关时间，调整系统负载的等效阻抗与太阳能板的内阻相匹配，从而使太阳能板输出最大功率。为了更好地验证MPPT控制算法是否有效运行，本系统实时检测系统的状态参数，并把跟踪的最大功率曲线图显示在LCD12864上。

2 优化的扰动观察法

2.1 MPPT控制的软件设计

在一定的光照强度和环境温度下，太阳能板可以工作在不同的输出电压下，但是只有在某一点输出电压时，太阳能板的输出功率才能达到最大值 [8 ]。最大功率点跟踪（MPPT）可使太阳能板始终工作在最大功率点，从而使太阳能板始终输出最大功率。本文采用优化的扰动观察法实现最大功率点的跟踪，其算法流程图如图2所示。

系统每隔一定的时间通过改变PWM波的占空比（PWM+blank或PWM-blank）扰动输出电压，并实时地采样太阳能板的输出电压和电流，计算出相应的输出功率（Pi或Pj），然后与扰动前的功率（Pnow）相比，根据功率变化规律决定之后的扰动方向：当Pi>Pnow时继续按PWM+blank调整；当Pj>Pnow时则按PWM-blank方向调整。步长blank按照接近最大功率点的方向逐步缩小，这样就保证了太阳能板的输出功率向增加的方向变化，如此反复的扰动、测量与比较，就实现了最大功率点跟踪。

2.2 MPPT算法中数据采集的优化策略

因为基于扰动观察法的MPPT算法实际运行中可能由于扰动频率过大导致较大的功率振荡，所以在MPPT系统中，电压电流数据采集精度非常重要，它直接决定了系统能否正常工作 [9-10 ]。硬件上采用ATmega16内部10位A/D转换器基本满足系统要求。在扰动观察法实际运行中，单片机得到的电压电流波形并不是稳定的，它由于各种外部和内部的干扰会有一些扰动，而这些扰动有时会直接影响到MPPT控制算法的正确执行。因此在不增加硬件电路成本的情况下如何使软件算法实现电压电流采样抗干扰是本系统要解决的主要问题之一。

本优化算法在扰动观察法中引入统计学的方法，即在读取电压电流值前，对采集的电压电流值进行以下算法的处理：采集10个数据求平均值，剔除与平均值偏差大的数据，再对保留数据求平均值。具体算法如图3所示，其中，A/D数据表示的是采集的电压电流数据。

通过合理设置VMAX的值，理论上单片机就可以得到足够稳定和精确的A/D数据，保证系统在有较大外界干扰情况下仍可以正常工作。

通过测试也可以发现，利用该算法得到的数据相对于直接获得的数据来说显得更加的稳定和精确。虽然该算法增加了MPPT算法的运行时间，因为需要获取10个数据，并经过多次比较运算才能得到最终结果。

但因为太阳能板最大功率点的变化是相对比较缓慢的，太阳能板的输出电压在短时间内也是比较稳定的。因此实际上系统对MPPT算法的运行速度要求并不高，利用该算法是十分合理的。

2.3 MPPT功率曲线图

为了实现对系统充电状态的实时检测和控制，友好地人机交互显示界面必不可少。本系统采用常见的LCD12864进行数据显示。本系统有2种显示界面：系统参数显示界面、系统功率曲线显示界面。系统参数显示界面可以显示太阳能板输出电压、输出电流、输出功率以及当前PWM波占空比等。

系统功率曲线显示界面可以显示当前太阳能板的输出功率以及对应的功率曲线图。MPPT功率曲线图可以很好地反应出当前光伏系统的工作状态，并且可以验证系统MPPT算法是否有效的运行。LCD显示最大功率曲线流程图如图4所示。

3 测试结果

本文所述的MPPT控制优化算法在实际的光伏发电系统中进行测试。图5是采用该优化扰动观察法所获得的功率曲线图。图6是采用一般扰动观察法所获得的功率曲线图。从图5与图6的比较中可以清晰地看出，采用该优化算法所获得的电压电流数据更加精确,功率曲线图波动比未采用该算法所获得功率曲线图波动小得多。测试结果验证了该方法的可行性和精确性，能够保证光伏发电系统快速、稳定、精确地跟踪最大功率点，从而提高了充电效率。

4 结 语

本文在实际光伏发电系统的设计中，对扰动观察法MPPT控制策略进行优化，并通过友好的人机界面实现实时显示最大功率曲线图。测试结果证明，该优化控制方法能够更稳定、更精确地跟踪太阳能电池的最大功率输出点，提高了光伏发电系统的充电效率。具有较高的实用价值和市场推广价值。

参 考 文 献

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作者简介: 黄礼明 男 1989年出生。主要研究方向为太阳能应用系统、开关电源。

连永圣 男 1985年出生，硕士研究生。主要研究方向为集成电路与系统、无线网络。

陈标龙 男 1989年出生。主要研究方向为智能控制系统。

林培杰 男 1982年出生，硕士，讲师。主要研究方向为嵌入式系统、新能源系统、物联网。

程树英 女 1966年出生，教授，博士生导师。主要研究方向为光电薄膜材料与器件、薄膜太阳能电池、光伏发电系统。