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一种变步长扰动观察法在光伏MPPT中的应用张光明;刘毅力;马龙涛;叶炳均【摘要】针对传统扰动观察法的扰动步长选取无法兼顾跟踪速度和稳态精度的缺陷,对传统扰动观察法进行改进,设计了一种变步长扰动观察法.首先分析光伏电池输出的P-U曲线的特点,然后阐述了基于Boost电路实现光伏最大功率点跟踪(MPPT,maximum power point tracking)的控制系统及其工作原理,最后利用Matlab/Simulink搭建基于传统算法以及改进算法的光伏发电MPPT仿真模型,并在同一环境下对这2种算法的跟踪效果进行仿真对比.结果表明,改进的算法有效弥补了传统算法的缺陷,在快速跟踪最大功率点的同时又保证了跟踪的精度,具有良好的动态性能和稳态性能.【期刊名称】《西安工程大学学报》【年(卷),期】2019(033)004【总页数】7页(P433-439)【关键词】P-U曲线;最大功率点跟踪;Boost电路;扰动观察法;变步长;仿真分析【作者】张光明;刘毅力;马龙涛;叶炳均【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048;国网陕西省电力公司铜川供电公司,陕西铜川727000;西安工程大学电子信息学院,陕西西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TM6150 引言随着全球人口的持续增长和经济的不断发展,能源危机和环境污染问题日渐突出,开发研究清洁再生能源已经成为人类社会的共识。
由于光伏发电在发电过程中没有污染和噪声等诸多优点,所以目前成为国内外研究的热点[1-2]。
光伏电池作为光伏发电系统的能量提供单元,其功率输出是随着太阳光照强度以及环境温度的变化而变化的,但是在一定的工作环境下,电池都具有唯一的最大功率输出点,因此为了使电池输出功率最大化,应当实时调节电池的工作点,使其一直工作在最大功率点附近,即MPPT技术[3]。
目前实现MPPT技术的算法有很多,比较常用的传统算法有恒定电压法、电导增量法、扰动观察法[4]。
基于模糊变步长算法的微生物燃料电池最大功率跟踪控制万庆阳
【期刊名称】《化工自动化及仪表》
【年(卷),期】2024(51)1
【摘要】针对微生物燃料电池输出效率低的问题,提出一种变步长算法和模糊控制相结合的最大功率跟踪算法。
根据满足最大功率的条件,将Boost变换器和微生物燃料电池构成完整系统,通过调节占空比从而实现最大功率跟踪,同时引入扰动观察法(P&O)和电导增量法(INC)组成最大功率跟踪控制器。
常规算法受到步长的影响跟踪效果较差,在此基础上通过改进固定步长为变步长,有效提高了算法的动态性能和稳定性。
针对算法产生振荡造成的能量损失,将算法和模糊控制结合在一起构成完整的跟踪系统,有效提高了算法的稳定性,减少了能量损失。
仿真结果表明:改进的模糊变步长算法较3种常规算法具有更快的收敛速度、更小的波动幅度和跟踪误差。
【总页数】7页(P41-47)
【作者】万庆阳
【作者单位】沈阳化工大学信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP29
【相关文献】
1.光伏发电系统模糊分段变步长算法最大功率点跟踪策略
2.光伏发电中基于模糊自适应修正变步长最大功率点跟踪的控制策略
3.基于模糊控制的变步长电导增量法的最大功率点跟踪策略
4.基于变步长扰动观察法结合改进天牛群优化算法的三步复合光伏最大功率跟踪算法
5.“四导四学”教学模式在《学前教育研究法》教学中的应用
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一种应用于光伏系统M的变步长扰动观测方法1、本文概述随着全球能源危机和环境问题日益突出，光伏系统作为一种清洁可再生能源的转换方式，受到了广泛的关注和研究。
光伏系统的最大功率点跟踪技术一直是研究的热点和难点。
传统的固定步长摄动观测方法虽然简单可行，但在实际应用中存在跟踪速度慢、精度低、易振荡等问题。
本文提出了一种应用于光伏系统的变步长扰动观测方法，旨在提高最大功率点跟踪的效率和稳定性。
本文首先介绍了光伏系统的基本原理和最大功率点跟踪的重要性，然后详细阐述了传统固定步长扰动观测方法的原理和存在的问题。
此外，本文提出了一种基于可变步长策略的扰动观测方法，该方法动态调整扰动步长，以实现对不同光照和温度条件下光伏系统最大功率点的快速准确跟踪。
本文还对所提出的变步长扰动观测方法进行了理论分析和仿真验证，结果表明该方法具有跟踪速度快、跟踪精度高、稳定性好的特点。
本文还讨论了该方法的实际应用前景和可能的改进方向，为光伏系统中的最大功率点跟踪技术提供了新的思路和方法。
2、光伏系统基础知识光伏系统，又称光伏发电系统，是利用光伏效应将太阳能转化为电能的系统。
光伏效应是指太阳光照射到光伏材料（如硅）中的光子和电子之间的相互作用，导致电子从原子中逃逸，形成光生电流。
这种无噪声、无污染的发电方式越来越受到全球的关注和推广。
光伏系统主要由光伏组件、逆变器、支架和连接线组成。
光伏模块是系统的核心部件，由多个串联或并联的光伏电池组成，负责将太阳能转换为直流电。
逆变器负责将直流电转换为交流电，以连接到电网或其他电气设备。
支架用于固定光伏组件，确保其能够连续稳定地接收太阳辐射。
在光伏系统运行过程中，光伏组件的性能参数，如开路电压、短路电流、最大功率点电压和电流，对系统的整体性能有重大影响。
最大功率点（MPP）是光伏模块具有最高输出功率的工作点。
光伏系统的目标之一是使光伏模块尽可能接近MPP工作，以实现最大的能量转换效率。
为了实现这一目标，光伏系统通常使用最大功率点跟踪（MPPT）算法。
一种适用于单峰光伏曲线的MPPT方法王一蒙;李玉玲;吴健儿;王管建【摘要】针对传统单峰光伏曲线MPPT方法跟踪速度慢,寻优精度不高的问题,提出了一种基于抛物线预测的功率闭环最大功率跟踪(MPPT)方法.该方法通过用光伏特性曲线上的3个点来拟合一个二次函数,用函数驻点的实际功率值来迭代地预测和修正最大功率点(MPP)的位置,最终使得光伏系统工作在最大功率点.此外,针对光伏系统采用合理的初始点选取策略,提升了MPPT的速度.给出了光伏系统的MPPT 控制框图,搭建了基于Buck-Boost电路的直流光伏系统硬件平台.使用抛物线预测法进行了光伏电池组件的最大功率跟踪,与变步长扰动观察法MPPT结果进行了比较,验证了该方法的可行性和实用性.研究结果表明:这种基于抛物线预测的单峰值MPPT方法具有跟踪速度快,稳态无振荡的优良性能.%Aiming at the problem that traditional single-peak PV curve MPPT method has low tracking speed and low precision, a para-curve predictive power close-loop maximum power point tracking ( MPPT) method was proposed. By quadratic fitting, the actual power value at the stationary point of the fitting function was considered to predict and revise the position of maximum power point, making PV system work on the maximum power point. Initial points were chosen reasonably to speed up MPPT. Schematics of photovoltaic control system with MPPT were presented, and the hardware platform of DC photovoltaic system based on Buck-Boost circuit was built. The algorithm proposed was im-plemented in experimental prototype and compared with variable-step perturbation and observation method, which proved the feasibility and effectiveness of the scheme. The results indicate that thesingle-peak MPPT scheme proposed has good performance with high tracking speed and favorable stability.【期刊名称】《机电工程》【年(卷),期】2017(034)009【总页数】5页(P1060-1064)【关键词】光伏系统;最大功率跟踪;抛物线预测;功率闭环【作者】王一蒙;李玉玲;吴健儿;王管建【作者单位】浙江大学电气工程学院,浙江杭州310058;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310058;杭州市电力局,浙江杭州310009;浙江大学电气工程学院,浙江杭州310058【正文语种】中文【中图分类】TM914在正常状况下，光伏电池的功率电压(P-U)输出特性曲线为单峰函数。
改进变步长滞环比较法的MPPT算法研究孟祥萍;冷淼;张红;徐婷【摘要】针对传统光伏电池最大功率点跟踪(MPPT)算法,即跟踪速度和精度之间存在的问题,提出了基于恒定电压法和变步长滞环比较法相结合的改进算法.该算法避免了扰动观察法容易出现的误判问题,抑制了最大功率点附近的振荡,提高了常规滞环比较法的稳态精度.利用Matlab/Simulink仿真平台,建立了基于该算法的MPPT 仿真模型.试验结果验证了该算法的可行性,且显著提高了系统的跟踪速度、精度和光电转换效率.%Aiming at the contradiction between the speed and precision of traditional photovoltaic MPPT algorithm,an algorithm based on constant voltage tracking method and variable step size hysteresis comparison method is proposed. It avoids the problem of false judgment which is easy to appear in the perturbation and observation method,and the oscillation in the vicinity of the maximum power point is suppressed, and the steady - state accuracy of the conventional hysteresis comparison method is improved. Based on Matlab/ Simulink simulation platform, MPPT simulation model based on this algorithm is built. The experimental results verify the feasibility of the algorithm,and the trackingspeed,accuracy of the system significantly and the photoelectric conversion efficiency have been improved.【期刊名称】《自动化仪表》【年(卷),期】2017(038)001【总页数】4页(P38-41)【关键词】一次能源;光伏发电;恒定电压法;滞环比较法;MPPT【作者】孟祥萍;冷淼;张红;徐婷【作者单位】长春工程学院电气与信息工程学院,吉林长春 130012;吉林省配电自动化工程研究中心,吉林长春 130012;长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春 132012;长春工程学院电气与信息工程学院,吉林长春 130012;吉林省配电自动化工程研究中心,吉林长春 130012;长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春132012【正文语种】中文【中图分类】TH86;TP13一次能源的日益枯竭及环境污染问题的日益严重，加快了二次能源的开发利用。
基于变步长扰动观察法的MPPT仿真研究宋雨桐;瞿谊;孙野;岑红蕾【摘要】本文在Matlab/Simulink中搭建了MPPT的仿真模型并分析了最大功率跟踪的意义和方法.本文基于扰动观察法,针对步长选择难的问题提出了一种自动变步长的改进型扰动观察法.此方法结合固定大步长和小步长的优点,在外部条件变化时为大步长可以进行对最大功率的快速跟踪,接近最大功率点后自动变为小步长,可以减小震荡损耗.其中,由于功率变化率和本文希望的步长大小成正相关,所以本文采用实时功率的变化率的绝对值|dP/dt|作为自动变步长的参考参量.且为了减小线路中杂波对系统的影响,防止功率出现"尖峰",本文仿真的功率采样中增加了平均计算模块.最后将改进后的扰动观察算法封装成了模块形式,通过仿真验证了该方法在提高光伏发电效率方面具有可行性和有效性.【期刊名称】《农业网络信息》【年(卷),期】2018(000)004【总页数】4页(P34-37)【关键词】光伏发电;扰动观察法;变步长;实时功率的变化率;平均值【作者】宋雨桐;瞿谊;孙野;岑红蕾【作者单位】新疆石河子大学机械电气工程学院;新疆石河子大学机械电气工程学院;新疆石河子大学机械电气工程学院;新疆石河子大学机械电气工程学院【正文语种】中文太阳能是种取之不尽、用之不竭的可再生绿色能源，是世界能源的重要组成部分。
在农业中也离不开太阳能的利用，如光伏水泵，应用于农业水利建设和农田灌溉，将二者有效结合，以解决我国缺电和无电地区农业灌溉难题。
光伏水泵系统由太阳能电池、光伏水泵逆变器、交流水泵等组成。
其中主要动力来源于光伏发电，但光伏发电的普及还存在诸多问题，主要原因是电池价格昂贵且光电转换效率较低。
因此，研究如何最大限度地利用光伏电池所发出的能量显得十分必要。
即控制光伏电池的瞬时输出功率，使其在不同的工作环境之下始终工作在最大功率点处，可有效解决光伏系统转换效率低这一问题，达到充分利用太阳能的目的，于是最大功率跟踪控制技术应运而生。
2012～2013学年度电气与电子工程学院研究生课程《太阳能光伏并网发电系统》课程报告固定电流法与变步长扰动观察法结合的MPPT算法研究院系：电气与电子工程学院专业：应用电子工程系任课教师：学生姓名：学号：指导教师：二○一三年五月ABSTRACT:The output power of PV module is a non-linear function of temperature, solar insolation and loads, so it is necessary to track MPP of the PV array all the time. When the external environment rapidly changes，in order to regulate the PV array operating point near the maximum power point quickly, the online constant-current method to track MPP is utilized at first, and then the variable step P&O is adopted to adjust the PV array operating point to be at the maximum-power point. The simulation of the improved method and common methods show that, contrast to the latter, the former can trace the maximum-power point more quickly, efficiently and accurately, which is concise and easy to implement, and also can reduce the energy loss caused by the oscillation of the operating point about the maximum-power point, thus enhancing the PV system efficiency.KEYWORDS:Photovoltaic panel characteristics; maximum power point tracking; constant current method; variable perturb step perturbation and observation method摘要：光伏器件输出功率是外部环境、负载的非线性函数，为了充分发挥光伏器件的效能，需采用最大功率点跟踪方法进行控制。
当外界环境突变时，采用在线固定电流法进行初步跟踪，调整光伏阵列的工作点到最大功率点附近。
在此基础上再使用变步长扰动观察法，使得工作点进一步调节到最大功率点，并有效减少了光伏阵列输出功率在最大功率点的振荡。
对该结合方法及相关的MPPT算法分别仿真，结果表明，该方法可以在外界环境剧烈变化下快速、有效、准确地跟踪最大功率点，简明易于实现，同时有效减少在光伏阵列最大功率点附近振荡所带来的能量损失，提高了光伏发电系统的效率。
关键词：光伏电池特性；最大功率点跟踪；固定电流法；变步长扰动观察法1引言光伏电池是光伏发电系统电能的来源，光伏电池输出功率是其所受日照强度、器件结温的非线性函数。
即使在外部环境稳定的情况下，光伏电池的输出功率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配时，光伏器件才会输出最大功率。
为了实时从光伏阵列获得最大输出功率，需要在光伏发电系统中实现最大功率点的跟踪控制。
通常的实现方法是需根据外部环境和负载情况不断调节光伏器件的工作点使其输出最大功率，我们将此功率调节过程称为最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。
MPPT电路常用的控制方法有固定参数法（如固定电压法、固定电流法）、扰动观察法及增加电导法等。
各种MPPT控制方法中，固定电流法和扰动观察法因简单有效而较常用，但各自也存在缺陷。
本文在分析固定电流法和扰动观察法的基础上，采用了一种固定电流法结合扰动观察法的MPPT控制。
在外界环境或负载突变时，采用在线固定电流法将光伏阵列的工作点调整到最大功率点附近，以保证跟踪的快速性。
在此基础上，为进一步提高对光伏阵列的利用效率，在最大功率点附近，采用变步长扰动观察法，从而减小系统在最大功率点附近的振荡。
2光伏电池特性光伏电池单元是非线性器件，它的等效电路模型如图2.1所示。
图2.1中的电流源产生光生电流I ph，它的数值由光照强度与温度共同决定。
串联电阻R S与并联电阻R P用来表征太阳能电池内部的功率损耗。
由于太阳能电池表面的材料的电阻率，当电流经过太阳能板流向外部内路时，其必然为产生串联损耗，故引入串联电阻R S。
并联电阻R P表征由漏电流引起的损耗。
I phI图2.1 光伏电池等效电路根据图2.1可得光伏电池的输出电压V 和输出电流I 之间的关系式：()exp 1S S ph sat Pq V IR V IR I I I AKT R ⎧+⎫+⎡⎤=---⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩⎭ (2.1) 其中I ph 代表光生电流，I sat 代表二极管反向饱和电流，A 是二极管特性因子，K 为玻耳兹曼常数，T 为外界环境绝对温度，R S 和R P 分别为光伏电池的串联和并联电阻。
虽然式(2.1)给出了准确的光伏电池I-V 关系式，但是等式中用到的参数I ph 、I sat 、A 、R S 、R P 并不由太阳能电池产商提供，因此难以确定其值。
太阳能电池产商只提供标准外界条件下太阳能电池板三个工作点的电压电流值，分别为开路电压V oc ，短路电流I sc 以及最大功率点的电压V MPP ，与电流I MPP 。
为了得到由上述四个参数所表示的太阳能电池I-V 关系式，在等价前提下变换式(2.1)。
在等式变换之前，先对式(2.1)进行两项近似：1.忽略()/S P V IR R +项，因为R P 很大，此项值远远小于I ph2.设定ph SC I I =，因为R S 远远小于二极管导通电阻在上述两项近似的前提下，代入三个工作点的电压电流值，分别为0I =时，OC V V =，0V =时，SC I I =以及MPP I I =时MPP V V =，从而解出121exp 1SC OC V I I C C V ⎡⎤⎛⎫=--⎢⎥ ⎪⎝⎭⎣⎦ (2.2) 其中12121exp 1ln 1MPP MPP SC OC MPP MPP OC SC I V C I C V V I C V I -⎧⎛⎫⎛⎫=--⎪ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎨⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎪=--⎢⎥ ⎪ ⎪⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦⎩(2.3) 只要根据光电池厂商提供的I SC 、V OC 、I MPP 、V MPP 等参数就可以确定该型光伏电池的输出模型。
但是由于厂家提供的这些参数一般是在标准温度T ref (°25C )和标准日照功率S ref (21000W/m )下的测试结果，在实际应用中还需要进行补偿。
补偿公式如下：()()11(1)ln()1(1)ln()ref ref SC SC ref OC OC MPP MPP ref MPPMPP T T T S S S S I I aT S V V cT e bS S I I aT S V V cT e bS =-⎧⎪=-⎪⎪⎪'=+⎪⎨⎪'=-+⎪'=+⎪⎪'=-+⎪⎩ (2.4) 其中，a 、b 、c 是常数，通常：0.0025/C a ︒=，0.5b =，0.0028/C c ︒=。
在实际应用中，只需测量出当时环境条件下的上述四个参数值，就可得到光伏电池的I —V 特性方程，这为后续的研究工作提供了基础。
以无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP0950S-36光伏阵列为例。
其提供的数据手册参数为 4.5A MPP I =、21.7V MPP V =、 4.8A SC I =、24.2V OC V =，且该光伏电池组由36块光伏电池串联组成。
按照上述方法，在不同光强和温度下对该光伏阵列进行Simulink 仿真。
光伏电池的仿真模型及仿真结果如图2.2和图2.3所示。
从图中可以看出，随着光强的减小，输出最大功率减小同时最大功率点处对应的电压减小。
图2.2 光伏电池仿真模型0500100015002000250030003500V (V)P (W )S=1000W/m 2S=800W/m 2S=600W/m 2S=400W/m 2S=200W/m 2图2.3 不同光强下光伏阵列的P-V 特性仿真曲线据此建立的光伏组件仿真模型可以模拟光伏电池在各种环境条件下的电气特性，并能模拟在外界环境变化过程中光伏电池的电气特性，为光伏系统的最大功率跟踪控制的仿真提供基础。
3 MPPT控制原理 MPPT 电路常用的控制方法有固定参数法(如固定电压法、固定电流法)、扰动观察法及增加电导法等。
固定参数法利用在最大功率点工作时光伏器件工作电压、电流与器件开路电压、短路电流的近似比例关系进行控制，此方法只需一个检测参数，控制简单易行，但获取开路电压或短路电流要中断系统正常工作，对系统运行存在干扰，此外所采用的控制关系是近似关系，不能实现最优控制，因此该方法控制精度低，仅适用于小功率场合。
扰动观察法是MPPT 控制中的一种常见方法。
扰动观察法控制思路如下：假设增加变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续增加，反之占空比减少；假设减少变换器的占空比，若光伏阵列输出功率增加，则占空比继续减少，反之占空比增加。
占空比的改变值称为扰动步长Δd ，在选取扰动步长大小时要兼顾光伏发电系统动态特性及稳态特性。
扰动观察法虽然控制简单，控制效果也较好，但是在最大功率点附近存在功率振荡现象，且在日照突变的情况下有可能失去对最大功率点的跟踪。
从前面的分析可知，扰动观察法在日照稳定情况下MPPT 控制效果较好，对光伏器件的利用效果较高，但存在最大功率点处功率振荡的现象。
此外，在日照突变情况下会失去对MPPT 的控制能力。
固定电流法控制精度差，但是在外部环境突变情况下，仍能使光伏器件输出功率跟踪日照的变化。
为了使光伏发电系统能够快速响应日照变化，且能充分发挥光伏器件的作用，本文采用了将固定电流法和扰动观察法结合运用到MPPT 电路控制中的方法：当外部环境变化时，光伏器件的短路电流会发生变化，由于短路电流法利用MPP SC I k I ≈⨯进行光伏器件输出功率的控制，因此只要知道I SC 就能使光伏器件的输出功率重新接近最大功率点。
