基于全局变步长电导增量法光伏阵列MPPT研究

李艳青，田建设，刘春堂

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

0 引言

随着全球能源需求的不断增长，倡导低碳经济运行，提高资源利用率，加大利用可再生能源力度已成为全社会的共识和责任［1－2］。光伏发电是当前利用太阳能的主要方式，其发电过程无机械传动部件，不排放任何物质，而且具有建设周期短、无噪声、低污染、可就地发电、无需架设输电线路、方便地与建筑物相结合等优点［3－6］。光伏阵列具有强烈的非线性特性，它的输出直接受光照、温度、负载等因素的影响，最大功率点跟踪控制可以保证光伏阵列在任何条件下始终输出相应的最大功率，实现光伏能源的充分利用。当前，应用最多的MPPT控制方法为扰动观察法和电导增量法，变步长跟踪的原理是在MPP附近时以小步长进行跟踪，远离MPP时以较大步长进行跟踪，使系统能快速跟踪到MPP［7－8］。为了克服传统的固定值变步长寻优法的缺点，提高光伏能源利用率，本文采用了一种根据P－U特性曲线斜率确定步长大小的全局变步长寻优法，加快了寻优速度，提高了寻优准确度;同时增加了稳定工作点的判断，减少了循环次数，极大减少了MPPT过程中工作点在极值点附近来回震荡所造成的能量浪费，并用MATLAB/SIMULINK搭建了仿真模型，验证了其算法有效性。

1 光伏阵列的模型

根据光伏阵列内部结构和输出伏安特性，得到光伏电池等效电路，如图1所示。

单个光伏电池的输出特性方程为

图1 光伏电池等效电路

式中:Isc为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照强度λ;I0为流过二极管的反向饱和漏电流;q为电荷量1.6×10－19C;K为Boltzmann常数，值为1.38×10－23J/K;T为光伏阵列的工作温度，K;A为二极管的理想常数，其值为1～2;Id为流过二极管的电流;Rs为光伏电池的内阻;Rp为光伏电池的并联电阻［9－12］。

一般来说，质量好的硅晶片(1 cm)的Rs为7.7～15.3 mΩ，Rp为200～300 Ω。1个理想的光伏电池，其等效串联电阻Rs很小，而等效并联电阻Rp很大，在一般的工程应用中都可以忽略不计。

2 变步长电导增量法

2.1 传统变步长电导增量法

光伏阵列P－U特性曲线如图2所示。由图2可知，在MPP处，斜率为零，而P=UI，在等式两边同时对U求导，则有

图2 光伏阵列P－U特性曲线

传统方法的变步长策略是步长的变化在某个区间段是固定的，不会随着极值点的逼近而逐渐减小。可以通过变化固定步长ΔU进行调节，减小ΔU可以改善光伏组件在最大功率点附近的功率振荡现象，但较小的ΔU将降低对日照变化的响应速度，使工作点到达极值点的时间会较长。通过增大ΔU能够提高MPPT的搜索速度，但较大的ΔU使光伏组件在最大功率点附近的功率振荡现象增强。利用传统变步长搜索光伏发电系统的最大输出功率点，不能同时满足搜索的稳定性和快速性要求。

传统变步长法并不是真正意义上的变步长，即是定步长的。定步长电导增量法工作流程如图3所示。

图3 定步长电导增量法的控制流程图

2.2 全局变步长电导增量法

为了克服上述定步长电导增量法的不足，提出了一种便于实现的变步长电导增量法。通过光伏阵列输出P－U特性曲线上各点的斜率的绝对值确定最大功率点跟踪的步长，同时提高搜索的稳定性和快速性。

2.3 增加稳定工作点判断

当光伏阵列输出功率在最优工作点左右振荡时，会造成能量损耗并降低太阳能电池的效率。尤其在外界条件变化缓慢时，长时间在最优工作点左右振荡，能量损耗较多［13－15］。因此，有必要设置光伏阵列某一时刻的稳定工作点。

根据上述分析设计出一种全局变步长电导增量法，该方法在传统方法基础上增加了稳定工作点判定策略，其流程如图4所示。

图4 全局变步长电导增量控制流程图

3 仿真分析

利用MATLAB/SIMULINK软件环境搭建了光伏发电系统最大功率点跟踪的仿真模型图，如图5所示。

对建立的模型图进行了仿真，设定初始条件为标准光照1 000 W/m2和常温25℃。仿真结果如图6、图7所示。

从图6中可以看出，变步长电导增量法的暂态结束时间为0.015 s，而定步长电导增量法的暂态结束时间为0.02 s，显然变步长电导增量法的搜索速度快于定步长电导增量法，接近稳态时震荡现象比定步长电导增量法较小。

当外界温度和光照强度发生变化时，假设在0.025 s时外界温度由50℃变为0℃，在0.05 s时光照强度由1 000 W/m2变为800 W/m2。仿真结果如图8、图9所示。

比较图8、图9，可以看出，外界温度由50℃变为0℃时，光伏电池输出功率由5 000 W升高到5 448 W。光照强度由1 000 W/m2变为800 W/m2时，光伏电池输出功率由5 448 W降为3 700 W，表明了光伏电池输出功率与外界温度、光照强度的关系，即光伏电池输出功率随温度降低而增大，随光照强度降低而减小。比较图8、图9，可以看出，相对于定步长电导增量法，变步长电导增量法可以根据外界环境的变化进行较快的功率跟踪，而且接近稳态时的震荡现象也较小。

图5 光伏发电系统仿真模型

4 结论

1)在光伏模型进行分析的基础上，通过对MPPT算法的改进，运用全局变步长电导增量法实现了MPPT。

2)运用全局变步长寻优法加快了寻优速度，提高了寻优准确度，同时增加了稳定工作点的判断，减少了循环次数。

3)该算法在各种外界环境变化情况下均能迅速稳定地输出最大功率，并有效地解决了传统变步长电导增量法搜索的稳定性和快速性相矛盾的问题。

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