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徐高晶1，陳婷2，徐韜1
（1，國網電力科學研究院南京南瑞智源電氣技術有限公司，南京 210009；2，南京工業大學 信息學院，南京 210009）
摘要：針對以往光伏發電係統太陽能最大功率點跟蹤（Maximun Power Point Tracking,MPPT）算suan法fa的de跟gen蹤zong速su度du及ji精jing確que度du不bu理li想xiang的de特te點dian，提ti出chu了le一yi種zhong新xin穎ying的de變bian步bu長chang滯zhi環huan比bi較jiao法fa，對dui傳chuan統tong擾rao動dong觀guan測ce法fa存cun在zai的de速su度du和he精jing度du的de矛mao盾dun進jin行xing優you化hua。在zaiMatlab/Similink下進行係統的建模與仿真，並進行實驗分析。結果表明，該方法能夠顯著提高MPPT跟蹤的速度和精度。
關鍵字：最大功率點跟蹤 速度 精度 變步長
中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A
The research of MPPT algorithm based on the method of
variable step hysteresis comparative
XU Gao-jing1, CHEN Ting 2, XUTao1
(1,Smart Power Techonology CO.,Ltd NARI Group Company SGEPRI, NanJing 210009;2,College Of Electronics and Information Engineering, NanJing University of Technology, NanJing 210009,)
Abstract: For the characteristics of unsatifactory of solar photovoltaic power generation system for the past, the maximum power point tracking (Maximun Power Point Tracking, MPPT) algorithm to track the speed and accuracy.It proposed a novel variable step hysteresis method to optimize the contradictions of the speed and precision of the existence traditional methods.Make modeling and simulation, and experimental analysis in Matlab / Similink system.The results show that the method can significantly improve the speed and precision of MPPT tracking.
Keyword: MPPT speed accuracy variable step
隨著社會的發展，能源和環境成為人們麵對的緊要問題。太陽能作為一種廣泛分布的清潔可再生能源有很好的應用前景[1]，其(qi)中(zhong)太(tai)陽(yang)能(neng)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)技(ji)術(shu)得(de)到(dao)了(le)大(da)量(liang)研(yan)究(jiu)和(he)應(ying)用(yong)，在(zai)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)中(zhong)，光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)利(li)用(yong)率(lv)除(chu)了(le)與(yu)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)內(nei)部(bu)特(te)性(xing)有(you)關(guan)外(wai)，還(hai)受(shou)使(shi)用(yong)環(huan)境(jing)如(ru)輻(fu)照(zhao)度(du)、負載和溫度等因素的影響。在不同的外部環境下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點（Maximun Power Point,MPP）上。因此對光伏發電係統來說，應當尋求光伏電池的最優工作狀態，以最大限度的將光能轉化為電能[2]。
目前常用的實現MPPT的方法有導納增量法、擾動觀測法等。導納增量法是利用光伏電池在MPP處輸出功率對電壓的導納為零來跟蹤MPP，該方法控製效果好，控製穩定度較高，但是控製算法複雜，對采樣的精確度要求很高[3]。擾(rao)動(dong)觀(guan)測(ce)法(fa)是(shi)根(gen)據(ju)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)的(de)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)來(lai)擾(rao)動(dong)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)，使(shi)光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)最(zui)終(zhong)工(gong)作(zuo)於(yu)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)。但(dan)振(zhen)蕩(dang)和(he)誤(wu)判(pan)問(wen)題(ti)的(de)存(cun)在(zai)，使(shi)係(xi)統(tong)不(bu)能(neng)準(zhun)確(que)地(di)跟(gen)蹤(zong)到(dao)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)，造(zao)成(cheng)了(le)能(neng)量(liang)損(sun)失(shi)[2]。
綜zong上shang所suo述shu，以yi傳chuan統tong擾rao動dong觀guan測ce法fa為wei基ji礎chu提ti出chu的de變bian步bu長chang滯zhi環huan比bi較jiao法fa不bu但dan在zai克ke服fu最zui大da功gong率lv點dian跟gen蹤zong過guo程cheng中zhong的de振zhen蕩dang和he誤wu判pan方fang麵mian均jun有you較jiao好hao的de性xing能neng，且qie能neng兼jian顧gu到dao速su度du和he精jing度du的de要yao求qiu，更geng加jia準zhun確que地di跟gen蹤zong光guang伏fu電dian池chi的de最zui大da功gong率lv點dian，從cong而er提ti高gao光guang伏fu係xi統tong的de發fa電dian效xiao率lv。
2光伏電池特性分析
2.1光伏電池的等效電路
光伏電池實際上就是一個大麵積平麵二極管，可以用圖1的單二極管等效電路來描述。圖中RL是光伏電池的外接負載，負載電壓（亦即光伏電池的輸出電壓）為UL，負載電流為IL。
由圖1，可得負載電流IL為
圖1 光伏電池的等效電路
式中：ISC為光子在光伏電池中激發的電流；IDO為光伏電池在無光照時的飽和電流；q為電子的電荷，1.6×10-19C；RS為串聯電阻(由電池的體電阻、表麵電阻、電極導體電阻、電極與矽表麵間電阻所組成)； A為一個常數因子（正偏電壓大時A值為1）；K為玻爾茲曼常數，1.38×10-23J/K; Rsh為並聯電阻（有矽片的邊緣不清潔或體內的缺陷引起的）。
2.2光伏電池數學模型及輸出特性
一般光伏電池，串聯電阻Rs很小，並聯電阻Rsh很大，在進行理想電路計算時可忽略不計，理想光伏電池的特性為：
設在參考條件下，Isc為其短路電流，Uoc為其開路電壓，Im,Um為最大功率點電流和電壓，則當光伏陣列的電壓為Vpv時，其對應的電流為Ipv,
根據光電池廠提供的Im,Um,Isc,Uoc等參數就可以確定該光伏電池的輸出特性，但是由於廠商提供的這些參數一般是在標準溫度（Tref =25℃）和標準日照功率（Sref =1000W/m2）下的測試結果，在實際應用中還需要進行補償[4] ,可以根據 [2] 得到：
基於式(3)，我們使用Matlab搭建了光伏電池的仿真模型如圖2所示。參數為：電流變化溫度係數a=0.015Amps/℃,電壓變化溫度係數b=0.700V/℃,
圖2 光伏陣列Matlab仿真模塊內部結構
封裝後的PV模塊如下：
圖3 光伏陣列Matlab仿真模型封裝 模擬光照強度從1000W/m 2遞變到200W/m 2時係統的輸出性能，如圖4所示。
圖4給定光照曲線下光伏陣列的輸出特性
由圖可知，光伏器件輸出功率Ppv與輸出電壓Upv,電流Ipv呈cheng非fei線xian性xing關guan係xi，在zai不bu同tong的de環huan境jing即ji溫wen度du，日ri照zhao強qiang度du下xia，光guang伏fu器qi件jian存cun在zai唯wei一yi最zui大da輸shu出chu功gong率lv點dian。當dang光guang伏fu器qi件jian置zhi於yu室shi外wai環huan境jing時shi，由you於yu外wai部bu環huan境jing不bu斷duan改gai變bian光guang伏fu器qi件jian最zui大da功gong率lv也ye隨sui之zhi改gai變bian。
3 變步長滯環比較法實現最大功率點跟蹤技術
工(gong)作(zuo)點(dian)到(dao)達(da)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)附(fu)近(jin)時(shi)，對(dui)於(yu)定(ding)步(bu)長(chang)的(de)擾(rao)動(dong)方(fang)式(shi)，會(hui)出(chu)現(xian)工(gong)作(zuo)點(dian)跨(kua)過(guo)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)的(de)情(qing)形(xing)，但(dan)改(gai)變(bian)擾(rao)動(dong)方(fang)向(xiang)後(hou)，工(gong)作(zuo)點(dian)電(dian)壓(ya)與(yu)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)電(dian)壓(ya)的(de)差(cha)值(zhi)還(hai)是(shi)小(xiao)於(yu)步(bu)長(chang)，無(wu)法(fa)達(da)到(dao)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)，這(zhe)種(zhong)由(you)於(yu)擾(rao)動(dong)步(bu)長(chang)一(yi)定(ding)所(suo)導(dao)致(zhi)的(de)工(gong)作(zuo)點(dian)在(zai)最(zui)大(da)功(gong)率(lv)點(dian)兩(liang)側(ce)往(wang)複(fu)運(yun)動(dong)的(de)情(qing)形(xing)，就(jiu)是(shi)擾(rao)動(dong)觀(guan)測(ce)法(fa)的(de)振(zhen)蕩(dang)現(xian)象(xiang)。當(dang)外(wai)界(jie)環(huan)境(jing)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)，光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)也(ye)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，會(hui)出(chu)現(xian)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)內(nei)工(gong)作(zuo)點(dian)序(xu)列(lie)位(wei)於(yu)不(bu)同(tong)的(de)Ppv-Upv特性曲線上的情形。此時對於不同的Ppv-Upv特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)上(shang)的(de)工(gong)作(zuo)點(dian)繼(ji)續(xu)使(shi)用(yong)針(zhen)對(dui)於(yu)固(gu)定(ding)特(te)性(xing)曲(qu)線(xian)的(de)判(pan)據(ju)，就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)擾(rao)動(dong)方(fang)向(xiang)與(yu)實(shi)際(ji)功(gong)率(lv)變(bian)化(hua)趨(qu)勢(shi)相(xiang)反(fan)的(de)情(qing)形(xing)，就(jiu)是(shi)擾(rao)動(dong)觀(guan)測(ce)法(fa)的(de)誤(wu)判(pan)現(xian)象(xiang)。
3.1變步長滯環比較法原理
從控製角度而言，抑製振蕩可以采用具有非線性特性的滯環控製策略，針對光伏電池的Ppv-Upv特性，其滯環控製環節如圖5所示。
圖5滯環技術示意圖
當(dang)功(gong)率(lv)在(zai)所(suo)設(she)的(de)滯(zhi)環(huan)內(nei)出(chu)現(xian)波(bo)動(dong)時(shi)，光(guang)伏(fu)電(dian)池(chi)的(de)工(gong)作(zuo)點(dian)電(dian)壓(ya)保(bao)持(chi)不(bu)變(bian)，隻(zhi)有(you)當(dang)功(gong)率(lv)的(de)波(bo)動(dong)量(liang)超(chao)出(chu)所(suo)設(she)的(de)滯(zhi)環(huan)時(shi)，才(cai)按(an)照(zhao)一(yi)定(ding)的(de)規(gui)律(lv)改(gai)變(bian)工(gong)作(zuo)點(dian)電(dian)壓(ya)。可(ke)見(jian)滯(zhi)環(huan)的(de)引(yin)入(ru)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)擾(rao)動(dong)觀(guan)測(ce)法(fa)的(de)振(zhen)蕩(dang)現(xian)象(xiang)。實(shi)際(ji)上(shang)可(ke)以(yi)將(jiang)誤(wu)判(pan)看(kan)成(cheng)是(shi)外(wai)部(bu)環(huan)境(jing)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)時(shi)的(de)一(yi)種(zhong)動(dong)態(tai)的(de)振(zhen)蕩(dang)過(guo)程(cheng)，因(yin)此(ci)該(gai)方(fang)法(fa)也(ye)可(ke)以(yi)克(ke)服(fu)擾(rao)動(dong)觀(guan)測(ce)法(fa)的(de)誤(wu)判(pan)現(xian)象(xiang)。
3.2係統功能的實現 suiranzhihuanbijiaofakeyijiaodachengdudibimianzhendanghewupanxianxiang，danruguobuchangguoda，gongzuodiankenenghuitingzailizuidagonglvdianjiaoyuandequyu，ruguobuchangguoxiao，zaixinyilunkaishisousuoshi，gongzuodianhuizaiyuanlizuidagonglvdianquyuneichangshijiandisousuo，yincisuduhejingdudemaodunyirancunzai，caiyongbianbuchangdezhihuanbijiaofabiankeyijiejuezheyimaodun，jutiliuchengturutu6。
圖6變步長滯環比較法流程圖
其原理如下:
在太陽能電池P-V特性曲線頂點附近從左至右依次取C,A,B三點,設變化標誌m,擾動量為n,P C,P A,P B對應於A,B,C三點的功率,規定當P B≥P A時,m=1, P BA時,m=-1;當PA≥ PC時,m=1,當PAC時,m=-1。這樣根據m的值就可以做出擾動方向的判斷:(1).m=2,PB≥PA&PA≥PC,增加擾動量，增加步長，令n=2n;
(2).m=0,P CA& PB>PA,達到最大點;(3).m=-2,P BA&PAC,減小擾動量減小步長，令n=n/2;4 實驗結果分析 為了驗證所提出方法的正確性，把MPPT控製係統串入Boost變換器電路中，在Matlab/Simulink仿真軟件下搭建的仿真模型中，編寫S函數作為MPPT的控製模塊，對光伏電池的最大功率點進行跟蹤，MPPT的仿真模型如圖7所示。為了形成對比，對采用擾動觀測法和變步長的滯環比較法MPPT控製方法進行了仿真
圖7 光伏並網Matlab仿真模型 根據圖7的光伏係統仿真模型，分別在MPPT模塊應用擾動觀察法和變步長的滯環比較法對外界條件變化後的某一瞬間進行仿真，如圖8,圖9所示。由圖8可以看出擾動觀察法在0.004s左右即可達到最大功率點，波形在往後的範圍內處於震蕩較明顯的情況。而圖9的變滯環比較法在0.00025s處chu即ji已yi達da到dao最zui大da功gong率lv點dian且qie波bo動dong比bi較jiao小xiao，說shuo明ming變bian步bu長chang的de滯zhi環huan比bi較jiao法fa的de確que在zai原yuan來lai擾rao動dong觀guan察cha法fa的de基ji礎chu上shang無wu論lun是shi從cong精jing度du還hai是shi速su度du方fang麵mian都dou有you了le一yi定ding程cheng度du的de改gai進jin，從cong而er提ti高gao了le光guang伏fu係xi統tong的de發fa電dian效xiao率lv。
圖8 基於擾動觀察法的光伏電池
輸出功率仿真波形圖
圖9 基於變步長的滯環比較法的光伏電
池輸出功率仿真波形圖
5 結論
本ben文wen對dui光guang伏fu電dian池chi特te性xing進jin行xing了le詳xiang細xi的de分fen析xi，針zhen對dui光guang伏fu係xi統tong的de最zui大da功gong率lv點dian跟gen蹤zong問wen題ti進jin行xing了le研yan究jiu，提ti出chu了le基ji於yu擾rao動dong觀guan察cha法fa的de變bian步bu長chang滯zhi環huan比bi較jiao法fa。變bian步bu長chang的de滯zhi環huan比bi較jiao法fa的de最zui大da優you點dian是shi通tong過guo雙shuang向xiang擾rao動dong確que認ren的de方fang法fa來lai保bao證zheng擾rao動dong觀guan測ce法fa的de動dong作zuo可ke靠kao性xing，以yi避bi免mian誤wu判pan的de發fa生sheng，同tong時shi在zai搜sou索suo過guo程cheng中zhong不bu斷duan調tiao整zheng搜sou索suo的de步bu長chang，也ye有you效xiao的de抑yi製zhi了le最zui大da功gong率lv點dian附fu近jin的de振zhen蕩dang。仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming，該gai算suan法fa具ju有you很hen好hao的de跟gen蹤zong速su度du和he精jing度du，是shi一yi種zhong比bi較jiao理li想xiang的de控kong製zhi方fang法fa，但dan是shi穩wen定ding性xing方fang麵mian還hai需xu要yao改gai進jin。
6 參考文獻
[1]朱銘煉，李臣鬆，陳新等.一種應用與官府係統MPPT的變步長擾動觀察法[J].電力電子技術，2010,44(1):20-22.
[2]張興，曹仁賢.太陽能光伏並網發電及其逆變控製[M].北京:機械工業出版社,2011.1.
[3]張超，何湘寧．短路電流結合擾動觀察法在光伏發電最大功率點跟蹤控製中的應用[J].中國電機工程學報，2006,26(20):98-102.
[4]張建坡，張紅豔，王濤等．光伏係統中最大功率跟蹤算法仿真研究[J].計算機仿真，2010,1(27):266-269.
[5]張超，何湘寧，趙德安．光伏發電係統變步長MPPT控製策略研究[J].電力電子技術，2009,10(43):47-49.
作者簡介：
[1]徐高晶（1982-），男（漢族），江蘇啟東人，碩士，南京理工大學，電力工程師（中級）從事電力電子，電源，逆變器等相關研發工作。
[2]陳婷（1986-），女（漢族），河南駐馬店人，碩士，南京工業大學，在讀，研究方向為電力係統自動化。
[1]徐韜（1980-）男（漢族），江蘇南京人，本科，電力工程師（初級）從事電源係統控製，監控係統的研發工作。
聯係人：徐高晶
電話：
Email: 詳細通信地址：南京市中央路258號江南大廈5樓
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