论文导读:：本文在对各种最大功率跟踪（MPPT）控制方法的优缺点分析的基础上，提出了一种改进算法，并对此进行了仿真。该方法实现了恒定电压法和滞环比较法的有效结合。仿真结果表明，与传统的MPPT控制方法比较，该方法跟踪速度快，跟踪精度高，并且在最大功率点处具有较高的稳定性。
论文关键词：光伏发电，最大功率跟踪，改进算法
0引言
随着化石燃料的消耗及全球对环境问题的关注，可再生能源的开发利用迫在眉睫[1]。太阳能作为最有利用价值的可再生能源，已经得到世界各国家越来越多的关注。但是，外界环境是不断变化的（如温度、日照等），为了最大效率的利用太阳能，必须对光伏阵列进行最大功率点跟踪。目前，最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking,简称MPPT）的方法很多，如恒定电压法，扰动观察法，增量电导法，模糊控制法，滞环比较法[1-5]等等，但不同的控制方法在实际应用中存在不同的优缺点。在对几种常见的MPPT方法进行分析的基础上，综合恒定电压法和滞环比较法的优点，提出一种改进启动特性的MPPT方法。利用这种方法，能显著提高跟踪速度和精度。
1 光伏电池的等效模型及特性
2.1光伏电池等效模型
光伏电池单元的等效电路模型如图1所示。其中， 为光生电流物理论文，它正比于光伏电池的面积和入射光的强度。 为无光照下的类似于二极管的暗电流。 为串联电阻， 为并联电阻，一般很小，而 很大。
图1 光伏电池等效模型
 （2.1）
 为光生电流， 为二极管饱和电流， 为光伏电池工作电流， 为电子电荷 ， 为光伏电池工作电压，K为波尔兹曼常数 ，T为绝对温度，A为二极管特性因子。
理想情况下，，为零，为无穷大，A=1，则式（2.1）简化为：
  （2.2）
当 =0时，可以得到太阳能电池的开路电压
 （2.3）
2.2光伏电池的特性
光伏电池的输出电压和电流受光照强度和温度的变化而变化。一定光照强度下，光伏电池的I-V特性曲线和P-V曲线分别如图2和图3所示:
 图2 光伏电池的I-V特性曲线
 图3 光伏电池的P-V特性曲线
图中所示即为最大功率点工作位置，由图可知，太阳能光伏电池具有明显的非线性。
光伏电池在同一温度(T)不同日照(S)下的I-V和P-V特性曲线分别如图4和5所示。由图可知，光伏电池的输出功率随光强增加而增大（S1<S2<S3）。
图4 不同日照下的I-V曲线
图5 不同日照下的P-V曲线
光伏电池在同一日照(S)不同温度(T)下的I-V和P-V特性曲线分别如图6和7所示。由图可知，光伏电池的输出功率随温度的增加而降低（T1<T2<T3）。
图6 不同温度下的I-V曲线
图7 不同温度下的P-V曲线
3改进算法的原理
扰动观察法是目前应用最广泛的一种控制算法。它主要通过比较前后2次功率大小来决定扰动的方向。具有原理简单，控制易实现等优点，然后振荡现象和电压崩溃现象是其固有缺陷[6]。
增量电导法主要是通过判断 的正负来决定扰动的方向，其实是扰动观察法的一种变形。增量电导法完全消除了扰动观察法的振荡现象，但仍存在电压崩溃现象。由于其算法复杂，对测量精度要求较高，成本较大，固很难被广泛使用。
固定电压法的原理是太阳能电池在最大功率点处的电压和开路电压有个近似比例关系，而且这个比例系数(一般为0.76)在外界日照和温度等变化时，它近乎不变。通过测量电池板的开路电压来调节工作电压，从而找到最大功率点。这种方法控制简单，设备成本低，然跟踪精度低，误差较大。
滞环比较法是为了克服扰动观察法在最大功率点处的振荡现象和电压崩溃现象而提出的发表论文。它能够在外界环境剧烈变化时不作任何动作物理论文，而只在环境稳定时才进行跟踪。但滞环比较法必须让比较的三点都在最大功率点附近，且扰动步长大小难以确定。
通过对几种控制算法的分析可知。滞环比较法能够消除振荡现象和电压崩溃现象，但要求A、B、C三点都在最大功率点附近。而固定电压法结构简单，成本低，能够快速找到最大功率点，但跟踪精度不够。一种更好的算法是综合这2种方法的优点，前期使用固定电压法迅速找到最大功率点，后期使用滞环比较法提高控制精度。这样系统具有最优的启动特性，启动速度快而平稳，功率单调增加，不会出现波动现象。具体原理如图8所示：
 图8双重算法示意图
改进算法先测量光伏阵列的开路电压 ，乘以系数0.8，得到一个参考电压 。首先让系统以恒定电压法启动，扰动量为 ，并不断记录下当前光伏阵列的工作电压，并与参考电压比较，当当前工作电压与参考电压误差绝对值大于设定参数 时，则继续以的扰动量增大电压，直到当前工作电压与参考电压误差绝对值小于设定参数，例如图3.1中的D点，系统即认为恒定电压法控制结束，系统已经到达了最大功率点附近。这就是第一阶段的恒定电压法控制。
当系统到达D点，改用滞环比较法控制，并记录下此时的电压值和电流值，计算出相应的功率。系统改用较小扰动量 ，以提高跟踪精度。此时图3.1中D点功率即为滞环比较法中的 ，连续2次增加扰动，并分别记录下相应的电压值和电流值，计算出各自的功率，其值分别为滞环比较法中的 和 。再通过滞环比较法中、、三点功率的比较确定具体的扰动方向，直到系统工作在最大功率点。这是第二阶段的滞环比较法控制。
若此时始终让系统工作在第二阶段，则当外界光照和温度发生变化时，系统仍然以滞环比较法进行控制，由于设定的滞环比较法步长较小，所以很难快速地跟踪到新的最大功率点。为能够适应外界环境的变化物理论文，我们需要重新启用恒定电压法迅速找到最大功率点的近似位置，再转至滞环比较法。为此，我们为系统设置了定时器。当定时时间到时，系统重新采集光伏阵列的开路电压，并得到新的参考电压，并重新运用恒定电压法快速跟踪新的最大功率点。为避免因不断切换控制算法而带来较大的功率损失，定时器定时时间可为分钟级别。这就是第三阶段的定时跳转阶段。
改进算法前期使用恒定电压法及较大步长大大提高了跟踪速度，后期使用滞环比较法及较小步长，旨在提高控制精度，减少功率损失。
4仿真结果分析
为通过比较说明改进算法的可行性和优越性，本文在Matlab/Simulink环境下分别对改进算法及常用的扰动观察法进行了仿真研究。2种算法的功率输出波形分别如图9和10所示：
图9扰动观察法功率输出波形
图10 改进算法功率输出波形
由图9和10比较可知，扰动观察法在最大功率点处上下波动，稳定后输出功率平均值为248W，稳定时间为0.045s。而改进算法稳定后为一条平滑的直线，稳定时间为0.038s，稳定后输出功率为249.2W。
5结论
本文采用改进算法对光伏系统中最大功率跟踪进行了研究，并通过与传统算法进行仿真比较。由仿真比较可知，改进算法启动过程平稳，具有跟踪速度快，跟踪精度高的特点。它完全消除了扰动观察法固有的振荡现象和电压崩溃现象，具有较大的优越性。
参考文献
[1]Park,sang-Soo(Departmentof Electrical Engineering,Changwon Mational University Korea,Republicof);Jindal Amit Kumar;Gole Aniruddha M;Park,Minwon;Yu In-Keun Source:CanadianConference on Electrical and Computer Engineering,p720-724,2009,2009 Canadian
Conference onElectrical and Computer Engineering,CCECE’09
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