光伏发电系统的最大功率点跟踪算法及仿真研究

1、 MPPT的原理

光伏电池的输出特性决定了MPPT的工作原理。所以，先介绍下光伏电池的输出特性。

如图1即为光伏电池输出的 I-V 特性曲线，从图上可看出光伏电池一种非线性直流源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点对应的横坐标为工作电压纵坐标为工作电流，工作的功率即电池的输出功率为工作电压与工作电流的乘积。

图1 光伏电池输出特性图

日照强度在极大程度上影响光伏电池的输出电流。图2中(a)表示了在不同光照强度下的P-I 关系曲线，由图2(a)可知，光照增强后大大地增大了短路电流，系统输出的功率会随着光照的增强而变大。

图2 (a) 不同光照强度和结点温度下的P-I关系曲线图

如图2(b)所示，为四种不同结点温度下的P-I关系曲线，可见，光伏电池结点的工作温度上升会使短路电流略微增大，但总体效果会造成光伏电池的输出功率下降。

通过上述可知，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、结点温度等影响。在一定的光照强度和结点温度下，光伏阵列可以工作在不同的输出电流(电压)，但是只有在某一输出电流(电压)值时，光伏阵列的输出功率才能达到最大值。这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率电压(电流)曲线的最高点，称之为最大功率点(Maximum

Power Point, MPP)。寻找最大功率点的算法称之为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)。下面讨论两种实用的MPPT算法和各自的特点。

2 、扰动观测法

扰动观测法操作简单，是目前文献报道中据说使用最多的一种实现最大功率点跟踪的方法。其原理就是周期性地增加(或者减少)光伏阵列输出电压(电流)，即加一个扰动，然后测出此刻的系统输出功率并跟上一时刻所测出的功率进行大小比较，来决定下一步的控制信号，如果功率变大则参考电压(电流)朝着扰动的方向增加(或减小)，如果功率变小则方向与扰动的相反。其工作原理可表示为：

其流程图如图3

图3 扰动观测法流程图

理论上该方法算法简单，且易于硬件实现。但是它也有其局限性：系统必须引入扰动，寻优的最后结果是系统在最大功率点附近很小的范围内来回振荡，造成功率损失;其次，这种方法功能的实现依靠电压(电流)步长的改变，然而步长的大小很难确定，步长过小，跟踪的速度缓慢，动态响应慢，光伏阵列可能长时间工作于低功率输出区，步长过大，在最大功率点附近的振荡又加大了，功率损失加大;还有当光照或外界其他条件快速变化时会发 生误判现象。

3 、电导增量法

电导增量法的名字来自于光伏系统电导系数的导数，用于确定最大功率点(MPP)处的操作点位置，也是一种最基本的MPPT算法，它通过太阳能电池输出特性曲线的斜率(dP/dI)与输出电压、电流间的关系来判断系统是否在最大功率点处运行。有功功率公式P=VI两端对电流求导可得：

如图4，电导增量法通过设定一些很小的变化阈值，判断目前工作点在最大功率点的哪一侧，然后改变逆变器输出功率，使太阳能光伏阵列最后稳定在最大功率点附近的某个点，而不是来回的跳动。当从一个稳态过渡到另外一个稳态时，电导增量法根据电流的变化就能够做出正确的判断，不会出现误判断的过程。

图4 电导增量法流程图

此跟踪法最大的优点，是当光伏电池上的光照强度产生变化时，输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电流波动较小，适用于光照快速变化的场合。缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特别是对传感器的精度要求比较高，系统各个部分响应速度都要求比较快，因而整个系统的硬件造价也会比较高。变化的阈值很难确定，不恰当的阈值也会造成扰动。

4 、SIMUlink 仿真实验

本文采用 MATALB/SIMUlink 仿真软件来搭建光伏发电系统的最大功率点跟踪仿真平台。如图5，从左到右的模块依次是光照模拟曲线(3种)、光伏电池阵列、MPPT算法模块以及波形和效率显示。

图5 扰动观测法和电导增量法仿真实验图

三个不同光照曲线下两种算法得到的电压、电流以及输出功率曲线图如图6、图7、图8。左边是扰动观测法的输出各项指标曲线，右边的是电导增量法下得到的曲线。

由图6可知，在正常的光照条件下两种MPPT算法，都能够很好的跟随着光照的变化输出峰值功率，效率都在99%以上(不考虑实际中的器件损耗)，但从电压电流曲线来看，电导增量法得到的输出曲线更为平滑，性能更佳。

图6 模拟正常日照情况下两种算法得到的输出曲线

从图7可以很明显的看出，在有乌云飘过这种光线强度快速变化的情况下，扰动观测法的效果不尽如人意，正如上文所述的存在误判现象(椭圆圈出部分)，导致输出功率在有段时间一直很小(几乎为零)，而电导增量法则效果依然很好(效率大于99%)。

光照不稳定时，跟上面第二种情况类似。在最后光照强度快速下降时，扰动观测法出现误判导致输出功率几乎为零(椭圆圈出部分)，电导增量法的表现则几乎没有影响(效率 99.5%)。

5 、总结

本文分析了光伏电池板的输出特性，以及影响光伏电池板的两个因数，给出了两个影响因数作用下的输出功率原电流曲线，然后引出MPPT算法的实现原理。详细阐述了目前最常用的两种MPPT算法，并给出了算法流程图。最后利用MATLAB/ SIMUlink仿真软件对这两种算法进行了仿真实验，验证了对算法的分析，为今后开发出性能更佳的MPPT算法，打下实验基础。