幾種光伏系統(tǒng)MPPT方法的分析比較及改進(jìn)(1)

1、第卷第期電力電子技術(shù)，年月幾種光伏系統(tǒng)方法的分析比較及改進(jìn)徐鵬威，劉飛，劉邦銀，段善旭（華中科技大學(xué)，湖北武漢）摘要：在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。分析了種常見的最大功率跟蹤（簡(jiǎn)稱）方法，比較了其優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)啟動(dòng)過程中特性較差的問題，提出了一種改進(jìn)，啟動(dòng)特性的方法，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：太陽能；發(fā)電；光電池最大功率追蹤中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，）：（）（），：；）：（引言式中光伏電池輸出電流（工作電流）光伏電池輸出電壓（工作電壓）二極管反相飽和電流光生電流電子的電荷量，×光伏電池的串聯(lián)電阻光伏電池的并聯(lián)電阻二極管特性因子玻耳茲

2、曼常數(shù)，×當(dāng)前，由于全球性能源危機(jī)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都開始重視可再生能源的利用研究。在所有可再生能源中，光伏發(fā)電是利用最靈活，最可行的一種能源。但是，由于光伏電池具有明顯的非線性特性，為了實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出最大化，需要對(duì)光伏電池的輸出最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。目前，最大功率點(diǎn)跟蹤（，簡(jiǎn)稱的方法有很多，如恒定電壓控制法，擾動(dòng)觀測(cè)）法，導(dǎo)納增量法，模糊控制法，基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的最大功率跟蹤方法，等等。但不同的方法在實(shí)際的使用中存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)，為了能充分利用各種方法的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)幾種常見方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)啟動(dòng)特性的方法，并進(jìn)行了較詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。圖示出光伏電池的等效電路圖。

3、光伏電池的電氣特性圖示出光伏電池在不同相同和不同相同條件下的和圖光伏電池等效電路圖特性曲線。光伏電池等效模型及特性光伏電池等效模型光伏電池的特性與太陽輻射強(qiáng)度和光伏電池溫度有極大關(guān)系，即（。根據(jù)電子，）學(xué)理論，光伏電池的等效數(shù)學(xué)模型為：（）（）#"$基金項(xiàng)目：臺(tái)達(dá)教育發(fā)展基金項(xiàng)目（）定稿日期：作者簡(jiǎn)介：徐鵬威（），男，碩士生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。圖光伏電池的和特性曲線第卷第期電力電子技術(shù)，年月光伏系統(tǒng)算法比較首先對(duì)種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析：恒定電壓控制法（，簡(jiǎn)稱；擾動(dòng)觀測(cè)法（）；導(dǎo)納增量法（，簡(jiǎn)稱）簡(jiǎn)稱）；基于梯度變，步長(zhǎng)的導(dǎo)納增量法。恒定電壓控制法（）原理通過分析圖可以看出，（在

4、光伏電）池溫度一定時(shí)，光伏電池的輸出曲線上最大功功率點(diǎn)處，在兩端均不為。若令作為法中的步長(zhǎng)（）數(shù)據(jù)，在離較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)跟蹤的步長(zhǎng)較大；當(dāng)離較近時(shí)，系統(tǒng)跟蹤的步長(zhǎng)較小。通過設(shè)置合適的，同時(shí)結(jié)合法跟蹤精度高的優(yōu)點(diǎn)，可以在過程中實(shí)現(xiàn)變步長(zhǎng)跟蹤。優(yōu)缺點(diǎn)分析基于梯度變步長(zhǎng)的法（）的優(yōu)點(diǎn)是控制效果好，且控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能快速追蹤其變化，不受功率時(shí)間曲線的影響；在系統(tǒng)啟動(dòng)過程中可實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。但其缺點(diǎn)是，在外界環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，由于控制作用較強(qiáng)，因此輸出功率有所波動(dòng)，控制算法較復(fù)雜。幾種控制方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析率點(diǎn)電壓幾乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。因此，控制法思路即是將光伏電池輸出電壓

5、控制在該電壓處，此時(shí)光伏電池在整個(gè)工作過程中將近似工作在最大功率點(diǎn)處。優(yōu)缺點(diǎn)分析采用控制的優(yōu)點(diǎn)是控制（）簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)工作電壓具有良好的穩(wěn)定性。但其缺點(diǎn)是，系統(tǒng)工作電壓的設(shè)置對(duì)精度差，系統(tǒng)工作效率影響大；控制的適應(yīng)性差，即當(dāng)系統(tǒng)外界環(huán)境條件改變時(shí)，對(duì)最大功率點(diǎn)變化適應(yīng)性差。擾動(dòng)觀測(cè)法（）原理法的原理是擾動(dòng)光伏系統(tǒng)的輸（）出電壓，判斷擾動(dòng)前后系統(tǒng)輸出功率的變化情況，并按照使輸出功率增加的原則來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。優(yōu)缺點(diǎn)分析采用法的優(yōu)點(diǎn)是控制思（）路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)較為方便，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤，提高系統(tǒng)的利用效率。但其缺點(diǎn)是，穩(wěn)態(tài)時(shí)，只能通過對(duì)以上幾種方法的實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，除法外，其它種方法在啟

6、動(dòng)時(shí)均存在采樣誤差而影響啟動(dòng)，以及啟動(dòng)過程中功率波動(dòng)的問題。由于在啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的工作點(diǎn)是從開路電壓處往最大功率點(diǎn)處移動(dòng)的，而由光伏電池的特性曲線可知，在開路電壓處，電壓采樣值的微小誤差均會(huì)導(dǎo)致電流理論值的較大誤差，因而在使用實(shí)際電流值進(jìn)行控制判斷時(shí)，就有可能造成系統(tǒng)的控制判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而影響系統(tǒng)的正常啟動(dòng)以及功率的波動(dòng)。采用改進(jìn)啟動(dòng)的方法為了避免系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)由于采樣誤差造成的影在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行；存在著因功率跟蹤過程中非單調(diào)性造成的誤差；存在著因法自身算法的不嚴(yán)謹(jǐn)，而在日照強(qiáng)度變化時(shí)產(chǎn)生跟蹤錯(cuò)誤。導(dǎo)納增量法（）原理由光伏電池的曲線可以看出，在（）最大功率點(diǎn)處有，通過簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得出在最大

7、功率點(diǎn)處有下式成立：響，同時(shí)兼顧穩(wěn)態(tài)后較低的處理速度，避免對(duì)穩(wěn)態(tài)功率造成頻繁擾動(dòng)，提出了一種兼具法較好的啟動(dòng)特性及變步長(zhǎng)法較快的穩(wěn)態(tài)跟蹤速度的方法。分析以上種方法的實(shí)驗(yàn)波形可見，采用控制時(shí)，系統(tǒng)的啟動(dòng)過程具有最優(yōu)的特性，如控制簡(jiǎn)單，僅需要判斷光伏系統(tǒng)的實(shí)際輸出電壓與設(shè)定電壓指令值之間的大小關(guān)系，單方向調(diào)節(jié)控制器輸出；功率輸出單向增加，無振蕩。而其它種方法在啟動(dòng)過程中功率輸出均為波動(dòng)或階梯狀上升。因此，結(jié)合控制法在啟動(dòng)時(shí)所具有的優(yōu)點(diǎn)，及變步長(zhǎng)控制法在啟動(dòng)后具有快速跟蹤最大功率點(diǎn)變化的優(yōu)點(diǎn)，提出了利用改進(jìn)的控制啟動(dòng)系統(tǒng)，在進(jìn)入最大功率點(diǎn)附近后，改用變步長(zhǎng)方法進(jìn)行跟蹤的控制方法。相對(duì)于以上種方法，該

8、方法控制效果好，啟動(dòng)過程平穩(wěn)；在不同的啟動(dòng)時(shí)刻，具有不同的啟動(dòng)設(shè)置電壓，適應(yīng)于不同環(huán)境下的快速啟動(dòng)；可以采用雙處理周期，啟動(dòng)時(shí)控制策略簡(jiǎn)單，采用較短的處理周期，較高的跟蹤速度，加快系統(tǒng)啟動(dòng)速度；進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后采用較長(zhǎng)的處理（）因此，將式（作為判定光伏電池是否工作在最）大功率點(diǎn)的依據(jù)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。優(yōu)缺點(diǎn)分析采用法的優(yōu)點(diǎn)是控制（）效果好，控制穩(wěn)定度高，不受功率時(shí)間曲線的影響。但其缺點(diǎn)是控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高?；谔荻茸儾介L(zhǎng)的導(dǎo)納增量法（）原理由光伏電池的特性曲線圖可見，在整個(gè)電壓范圍內(nèi)功率曲線為一單峰函數(shù)，在最大幾種光伏系統(tǒng)方法的分析比較及改進(jìn)周期

9、，較低的跟蹤速度，避免對(duì)系統(tǒng)輸出功率的頻繁擾動(dòng)。該控制策略可以很方便地移植到擾動(dòng)觀測(cè)法、定步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法等其他方法中，以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過程的優(yōu)化。原理及流程圖間即可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的跟蹤。首先，采樣光伏系統(tǒng)開路電壓值，由于光伏系統(tǒng)最大功率點(diǎn)處的電壓約為開路電壓的倍，因此可將系統(tǒng)開路電壓乘以作為啟動(dòng)指令電壓值?？刂乒夥姵氐妮敵鲭妷簭拈_路電壓開始下降，往最大功率點(diǎn)電壓方向移動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓達(dá)到指令電壓后，進(jìn)而采用變步長(zhǎng)的導(dǎo)納增量法或其它方法進(jìn)行控制。圖示出其控制流程圖。圖實(shí)驗(yàn)波形結(jié)論綜上所述，通過以上幾種方法的比較研究可以看出，控制法在外界環(huán)境改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，甚至跟蹤失敗，而其他幾種法均能跟

10、蹤最大功率點(diǎn)的漂移。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)可以看出，擾動(dòng)觀測(cè)法以及導(dǎo)納增量法在相同的處理周期下對(duì)環(huán)境條件變化的追蹤速度較慢，因此不適用于移動(dòng)式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如光伏電動(dòng)車。而基于梯度變步長(zhǎng)的導(dǎo)納增量法則能夠在外界環(huán)境快速變化時(shí)迅速跟蹤光伏系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)，能夠滿足移動(dòng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的需要。同時(shí)，結(jié)合改進(jìn)的啟動(dòng)，改善啟動(dòng)特性后，基于梯度變步長(zhǎng)的導(dǎo)納增量法可以很好地適應(yīng)各種場(chǎng)合對(duì)光伏系統(tǒng)控制的要求，是一種較理想的控制方案。參考文獻(xiàn)，（）：，：，（）余世杰，趙為，等硅太陽電池工程用數(shù)學(xué)模型蘇建徽，圖基于改進(jìn)啟動(dòng)變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法流程圖實(shí)驗(yàn)波形根據(jù)該方法，采用改進(jìn)的啟動(dòng)結(jié)合變步長(zhǎng)導(dǎo)納增量法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。圖示出啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形。由圖可見，系統(tǒng)僅需要即可平穩(wěn)地進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，遠(yuǎn)快于采用前種方法的啟動(dòng)速度，并且啟動(dòng)過程中功率平穩(wěn)上升，具有很好的啟動(dòng)特性。在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，采用較低的處理速度，在處理周期為