光伏发电中MPPT控制的新方法

【摘 要】 本文针对光伏发电中MPPT控制的新方法进行了介绍，叙述了基于数值和基于粒子群的2种不同于常规的最大功率追踪技术的原理和方法，这些方法都在一定程度上提高了功率追踪的准确度。

【关键词】 光伏发电 MPPT控制 功率点跟踪 改进

1 引言

1.1 研究背景

光伏发电技术是新能源发电技术的一种，具有环保、安全、寿命长等优点。目前，光伏发电系统开发初期的投资较大，能量转换的效率也较低。为了提高光伏系统的利用率，除了要提高光伏电池的能量转换效率外，还在系统中采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）技术。

现时，已提出的光伏发电系统最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）方案，虽然各具特色，但在动态跟踪的快速性、稳态跟踪精度方面，以及系统长期工作时寻优跟踪能力的鲁棒性方面仍显不足。由于光伏电池本身具有典型的非线性，加上系统老化，参数变异等因素，导致常规MPPT方法的跟踪效果受到影响。

1.2 光伏电池输出特性分析

受到外界因素（如温度、日照强度等）影响，光伏电池输出具有强烈的非线性，其数学模型可以表示为

上式是光伏电池的UI特性关系，其中，U、I分别为光伏电池端电压和输出电流；A、B与PN结材料特性相关的系数；T为绝对温度；k为玻耳兹曼常数；q为电荷电量q=1.602×C；、分别为等效并联电阻和等效串联电阻。

由上图可以得出关于光伏电池特性的结论：

（1）在光伏电池结温不变的情况下，其输出最大功率随日照强度的增强而增大，且最大功率点对应的电压几乎相同；在日照不变的情况下，太阳能电池的输出最大功率随电池组件结温升高的变化趋势与恒温日照变大情况下功率变化趋势相反，结温越大，太阳能电池能输出的最大功率反而越小，且最大功率点对应的电压也会随着结温的升高而下降。

（2）在光伏电池结温不变的情况下，日照强度越大，其短路电流也越大，恒流区对应的端电压区间也越小；在日照不变的情况下，光伏电池的结温几乎不对短路电流产生影响，随着温度的上升，极板的输出短路电流只是略有增加，而光伏电池的开路电压则随着电池结温的升高而下降，且下降幅度较大。

2 MPPT控制方法的改进

2.1 常规的MPPT技术的缺点

光伏电池具有强非线性特征，自身受到温度和光照影响大，在某种光照和温度下只有一个最大功率点（MPP）。为了提高效率，时常采用最大功率跟踪控制（Maximum Power Point Tracking，MPPT），使光伏电池工作在最大功率点，方法有恒电压法、扰动观察法、间歇扫描法，模糊控制法等。

（1）恒电压法，这种方法比较简单、容易实现光伏阵列工作在最大功率点电压附近，而且系统较稳定；但是，由于只是一种近似的最大功率跟踪方法，特别是当温度变化较大时，最大功率点电压也相应变化较大，使得跟踪效率不高。

（2）扰动观察法，是一种常用的方法；但是，光伏阵列只能在最大功率点附近震荡工作，有相当一部分功率会因此而损失。

（3）间歇扫描法，这种方法相对比较稳定可靠，算法比较简单；但是这种方法无法实现连续的功率输出，同时控制器必须要有较大的存储空间。

（4）模糊控制法，是现今一种比较先进的控制方法，精度好，速度快，但是这种控制方法要求设计人员具备更多的直觉和经验。

2.2 改进的数值方法

光伏电池的P-U曲线可近似为抛物线，因此P-U曲线可用二次插值函数来代替。插值结点（，）、（，）、（，）为3个采样点， x为采样点的电压值，y为采样点的功率值，可以得到二次插值函数，对二次插值函数求极值，即可求得最大功率点。

式中：，，

即为最大功率点电压值

综合上述过程，在利用二次插值法的过程中每次追踪计算需要采样3个有效点，这就对初值的选定产生了要求，在多数情况下采用恒定电压法，取0.78倍的开路电压作为启动电压，使光伏电池的工作电压直接调节到最大功率点附近，但是由于外界环境时刻在发生改变，所以该方法不能快速地跟踪到太阳能光伏电池的最大功率点。因此对该数值方法进行改进，采用直接检测外界光照强度及温度的方法来计算最大功率点电压、电流及功率，使其作为MPPT算法的初值，从而能够快速准确地跟踪到最大功率点。

具体方法是首先检测温度、光强，利用光伏电池工程所用数学模型计算出近似的最大功率点电压、电流和功率值，将其作为MPPT算法的初始值；调节DC/DC控制电路中PWM波的占空比，给电压1个步长，采样第2个点；对比第2个点的功率值与第1个点的功率值，若第2个点的功率值大于第1个点的功率值则在第2个点的基础上继续按原步长的方向采样第3个点；若第2个点的功率值小于第1个点的功率值则在第2个点的基础上按原步长相反的方向采样第3个点；若两者相同则在第2个点的基础上按原步长的方向但是步长减小二分之一采样第3个点；3组采样值用二次插值法计算出最大功率点出的电压、功率值；求出的最大功率点功率与第1个点的功率对比，若求出的最大功率点的功率与第1个点的功率差值小于预先设定的值时，则功率波动较小，将在二次插值法中循环，寻求更优解；若求出的最大功率点的功率与第1个点的功率差值大于预先设定的值时，说明功率波动很大，可能外界条件发生了大的变化，需要重新检测光照强度和温度，重新循环，能实时地跟踪外界的变化，避免误判，提高输出电压的稳定性。

2.3 基于粒子群优化（particle swarm optimisation，PSO）算法的模糊法

在这种方法中，对于模糊控制器中的隶属度函数，我们利用粒子群算法对其进行了优化，使得控制器能随光照强度和环境温度的变化，快速稳定地调整模糊控制器的隶属度函数，提高了MPPT系统的稳态性能和动态性能。

PSO算法的主要思想是用粒子在寻优空间中的位置表示优化问题的解，粒子的速度向量确定了粒子的方向和速度值，各个粒子追随当前最优粒子，并参考自身的飞行经验在解空间中进行寻优。

假设每个优化问题的解都是搜索空间的一个粒子，第i个粒子在N维空间里的位置和速度可表示为

所有的粒子都有一个由被优化函数决定的适应度值。算法开始时将粒子群初始化为解空间的一组随机值，然后粒子群在解空间中搜索和追随当前最优粒子。在每次迭代中每个粒子通过跟踪两个最优值来更新自己：一个是到当前为止该粒子本身所经历的最优值；另一个是到目前为止粒子群找到的最优值。设是粒子i在第t次迭代中的位置；是粒子i在第t次迭代中的速度。速度和位置的更新方程为

在光伏发电最大功率跟踪系统中，采用计算采样时刻与前一采样时刻的功率变化率J作为粒子群算法的目标函数，当J

3 结语

本文概述了国内外关于光伏发电中MPPT的技术的一些新方法，主要以基于数值，基于等效阻抗和基于粒子群为例介绍了几种完全不同于常规光伏发电中MPPT的新方法，并概括了各种方法的基本思想和原理。实验结果都显示它们的跟踪误差都小于单一的常规方法。

随着太阳能等可再生能源利用的蓬勃发展，光伏阵列最大功率点跟踪技术的实现方法及简化以及跟踪速度和跟踪精度的提高是将来必然的发展趋势如何将各种最大功率点跟踪控制方法进行有机结合、取长补短，使其更好满足现场实际需求，是今后光伏阵列最大功率点跟踪控制的研究方向。

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