光伏系统变步长扰动观察法MPPT算法研究
王小昆，胡贤新
(中国矿业大学信电学院，江苏，徐州221116)
摘要：光伏电池阵列输出功率受光照强度和温度变化的影响，因此最大功率点跟踪（MPPT）技术广泛应用于光伏系统中。在所有最大功率点(MPP)控制策略中，扰动观察（P&O）MPPT算法因易实现被广泛应用，然而它的缺点是在稳定工作状态下工作点通过MPP时会导致能量振荡损耗，并且在光照强度或温度发生突变时表现较差的动态响应。在本文中，提出一种改进型变步长扰动观察MPPT算法，此方法依据工作点动态调整步长变化，与传统固定步长方法比较，本文提出的方法能有效地提高MPPT速度和转换效率，通过仿真和实验结果分析，验证了此改进算法的可行性。
关键词：最大功率点跟踪；扰动观察法；变步长
Research on Variable Step Size P&O MPPT Algorithm for PV
Systems
WANG Xiao-kun，HU Xian-xin
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou,
Jiangsu 221116, China)
Abstract:Maximum power point tracking (MPPT) techniques are employed in photovoltaic (PV) systems to maximum the PV array output power which depends on solar irradiance and temperature. Among all the MPPT strategies,The P&O Maximum Power Point Tracking algorithm is mostly used, due to its ease of implementation. However, its main drawbacks are the waste of energy in steady conditions, when the working point moves across the MPP and the poor dynamic performances exhibited when a step change in solar irradiance or in temperature occurs. In this paper, a modified variable step size P&O MPPT algorithm is proposed, the step size is automatically tuned according to the operating point. Compared with the conventional fixed step size method, the proposed approach can effectively improve the MPPT speed and efficiency simultaneously.A theoretical analysis and the design principle of the proposed algorithm are provided and its feasibility is also verified by simulation and experimental results.
Keywords：Maximum power point tracking (MPPT); the Perturb and Observe (P&O); Variable Step Size
1 引言
随着世界能源消耗的不断增加，石油、煤炭等不可再生能源不断枯竭，可再生能源在能源消费中的地位越来越突出，其取之不尽和对自然环境影响较小的特点，得到了广泛的应用，其中太阳能是主要清洁能源之一，主要是光伏发电系统投资成本越来越低，并且技术不断进步、系统运行稳定、维护简单、对环境无污染。光伏发电系统现在主要应用于蓄电池充电、扬水系统、居民生活供电、卫星系统供电等场所[1-2]。
定稿日期：2010-12-11
作者简介：王小昆（1983-），男，安徽巢湖人，硕士研究生，研究方向光伏并网系统及电力电子技术光伏系统存在两个重要不足，其一电池板发电效率非常低，在低光照强度下表现尤为突出，其二电能的产生随着天气状况变化而产生明显的变化，比如光照强度和温度变化等。
最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，简称MPPT）变成了光伏发电系统中的重要组成部分，它能将电池板阵列产生的最大功率传输到逆变系统中，实现效率的最优化。基于控制器复杂程度，所用传感器数量，制造成本和性能有多种不同的MPPT控制方法被相继提出。MPPT算法实现目标是跟踪的快速性和准确性，即在光照强
度和温度发生突变时快速响应以及稳定工作时较小振荡。目前常用的方法有恒压法（CVT ）、扰动观察法（Perturb and Observe ， 简称P&O ）或称爬山法、电导增量法以及几种改进的MPPT 控制方法[3-6]。
当然在实际工程中最为常用MPPT 控制算法是比较电池阵列输出电压（电流）与给定的电压（电流），给定的电压（电流）为电池板理想最大功率点（Maximum power point ，简称MPP ）电压（电流），其原理是将产生的误差信号通过PI 调节器控制功率变换器输出，从而近似控制电池阵列的MPP 输出，其特点是控制方法简单、电路结构简洁、成本低、无振荡损耗，但不能随环境变化有效地实现MPPT 。另外一种控制算法是传统P&O ，其原理为比较前后两次功率差值，若差值为正，保持占空比扰动方向，若为负值，则占空比向相反的方向扰动，其特点跟踪效率较高、跟踪速度快、受环境干扰较小，但缺点是在MPP 处有明显的振荡，损耗一部分能量[7]。
为了克服传统P&O 存在的缺点本文提出一种改进型的MPPT 控制算法，此方法能有效减小在MPP 处引起的振荡损耗和提高跟踪速度，提高系统转换效率。在光照或温度等条件发生变化时，控制器能自动调节占空比扰动大小达到MPP ，如果工作点远离MPP 时，步长会增加以达到快速跟踪效果。
2 光伏电池板特性
当受光照射的光伏电池板接上负载时，
光生电流流过负载,并在负载的两端建立起端电压，此时光伏电池的等效电路图如图1所示。
L
R
图1 光伏电池板等效电路
图中光伏电池看作为稳定地产生光电流ph I 的电流源,与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻sh R 。显然
二极管的正向电流d I 和旁路电流sh I 都要靠
ph I 来提供,剩余的电流经过一个串联电阻
s R 流出光伏电池而进入负载L R 。 由图1可
得输出电流的表达式为：
ph d sh I I I I =--
()0()exp 1s s ph sh V IR V IR I I I q AKT R ⎧⎫+⎡⎤+⎪⎪=---
⎨⎬⎢⎥⎪⎪⎣⎦⎩⎭
（1） 式中0I 为电池板暗电流；V 为输出电压；q 为电子电荷19
1.610
C -⨯；K 为波尔兹曼常数
231.3810/J K -⨯；T 为热力学温度；A 为P-N
结理想因子，温度在278k 时取2.8。
串联电阻s R 对电池板输出特性有一定的影响，在电池板理想情况下，s R 的值很小，由于并联电阻sh R 很大，所以式1可以简化为：
0exp 1ph V I I I q AKT ⎧⎫⎡⎤=--⎨⎬⎢⎥⎣⎦⎩
⎭ （2） 当I=0时，其开路电压oc U 可表示为式（3）：
0ln 1ph
oc I AKT U q I ⎛⎫=
+ ⎪⎝⎭
（3）
光伏电池板在不同环境下的特性是不同的，尤其在光照强度和温度发生变化条件下，电池板功率输出会发生明显的变化，图2所示在不同光照强度和不同温度下电池板P-U 曲线。
