光伏阵列自适应变步长扰动最大功率点跟踪方法研究

杨星宇

摘 要：为了解决化石能源造成的环境污染和气候变暖问题，光伏等可再生能源成了当前研究的热点。为了充分利用光伏电池的输出电能，根据光伏电池特性需要对其最大功率点进行实时跟踪。本文分析了传统定步长扰动跟踪及一次变步长扰动法的缺点，提出一种根据下一时刻扰动结果判断状态并自动调节扰动步长的自适应方法。仿真结果表明所提出的自适应扰动方法可以可以有效提高动态速度和稳态精度。

关键词：光伏发电；自适应扰动；最大功率点跟踪

化石能源的利用确实对日常生活产生了更多的便利影响，但是同时也造成了严重的环境污染，并明显降低了人类的生活环境和质量。对可持续能源的合理利用是未来可持续发展的必然，比如当前研究热门的太阳能、风能以及潮汐能等。然而这些能源都是间歇性波动能源，研究如何提升能源的利用率是对这些能源开发利用的关键。鉴于此，本文研究了光伏发电阵列的最大功率跟踪方法。

1 光伏阵列的基本模型

太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应的，将太阳辐射直接转换为电能。光电效应就是物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。光伏电池等效电路中对外输出的各变量的关系为：

式中，Uoc为等效二极管的端电压；q为单位电荷；k为波尔兹曼常数；T为光伏电池的表面温度；A为P-N结的曲线常数。根据光伏电池的特性关系，可以绘制出不同光照强度下光伏电池的电压功率关系如图1所示。

可见最大功率点受到光照强度的影响，此外还受到环境温度的影响。

2 自适应变步长扰动MPPT机理

根据以上分析可知，在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出被称为最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tacking，MPPT）。

如图1所示，光伏电池P-U特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，MPPT控制会根据负载点的位置选择移动方向去趋近最大功率点，即搜索ΔP/ΔU→0实现对最大功率点的跟踪。以上分析可知，扰动观测法的扰动电压步长对跟踪精度和速度有较大影响。

设在k时刻的电压为Uk（k=0，1，2，3），电压增量增量为ΔUk。为了同时保证动态的响应速度和稳态的精度。为ΔP和ΔU配置以下关系：

以上公式所实现的功能是：如果当前扰动在最大功率点附近，每当扰动越过一次Pmax就缩短一半步长；若一次扰动没有越过最大功率点，则步长扩大一倍。这样的算法设计可以有效提高稳态扰动时的精度，系统会自适应的改变步长以应对当前的工作状态。

3 仿真结果分析

根据以上分析，在Matlab建立了光伏电池的MPPT仿真模型，同时为了防止系统失稳，对最大扰动步长进行了限制。光强变化时的功率波形如图2所示。

由图可知，在光强变化时，功率迅速扰动并跟踪到最大功率点，在初次进入稳态时出现了较小的波动，但后续的稳态状态平稳，几乎没有脉动存在。

4 结论

本文所提出的光伏阵列自适应扰动最大功率点跟踪方法能够根据当前的工作状态自动调整扰动步长，在动态时增大扰动步长提高搜索速度，稳态时缩小扰动步长以提高稳态精度。仿真结果表明所提的方法快速有效。

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