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光伏系统最大功率点跟踪控制算法的研究

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电力电子技术PowerElectronicsVol.44，No.6

June2010第44卷第6期2010年6月

基金项目：宁波大学学生科研储备项目（2010089）；宁波市自然科学基金项目（2009A610061）；宁波大学科技学院预研究项目（XYY09005）

定稿日期：2010-05-20

作者简介：赵阳（1989－），女，浙江金华人，研究方向为智能控制与算法优化、电力电子技术。

1引言作为具有巨大开发应用潜力的可持续清洁能源，太阳能将成为未来社会的主要能源之一，其开发利用能有效解决目前存在的能源匮乏、环境污染、气候变暖等严重问题，因而受到世界各国的重视[1]。太阳能电池是太阳能光伏发电系统的核心部件，其性能受光强、温度影响很大，伏安特性表现出复杂的非线性特征，因此最大输出功率也随着外界因素的变化而发生变动。若要使太阳能电池保持最大功率输出，从而保证能量利用率，则需调整负载工作点来适应太阳能电池输出特性的变化。目前常用的最大功率点跟踪（MPPT）方法[2]主要包括恒定电压法、扰动观察法、电导增量法、间歇扫描法等，主要通过测量电池的输出电压和输出电流，来判断输出功率的变化方向，从而调整电池工作状态向最大功率点位置移动。但这些方法在实际使用中均存在不同缺点，难于协调控制复杂度和控制精度的综合要求。首先在Matlab环境下建立了太阳能电池的仿真模型，分析了太阳能电池在不同光强和温度条件下的输出特性；同时提出了一种基于粒子群算法的MPPT方法，并通过实验验证了该方法的有效性。2太阳能电池模板仿真模型的建立2.1仿真模型建立如图1所示，太阳能电池可等效为与一个二极管并联的恒流源[3-5]（等效并联电阻值很大，

可忽略不

计）。恒流源的输出电流IL部分支持二极管正向电流，其余经串联等效电阻Rs输向外接负载。

由图1可得，太阳能电池输出电流为：

I=IL-I0eq（U+IRs）/（nkT）-󰀁󰀂1（1）

IL大小为

：

IL=IL（T1）[1+K0（T-T1）]（2）

式中：I

L（T1）=GISC（I1，nom）/Gnom；K0=[ISC（T2）-ISC（T1）]/（T2-T1）。

二极管饱和电流I0和Rs为：

I0=I0（T1）TT1113/ne-qUg/[nk（1/T-1/T1）]，Rs=-dUdIVOC-1XV（3）

式中：I

0（T1）=ISC（T1）/eqUOC（T1）/（nkT1）-111；XV=I0（T1）[q/（nkT1）]eqUOC（T1）/（nkT1）。

利用式（1）～（3）编写Matlab程序，即可建立太阳能电池模板仿真模型。

2.2太阳能电池输出特性分析利用2.1中建立的仿真模型，对太阳能电池进行了输出特性分析，如图2所示。由图可知，太阳能电池的I-U，P-U输出特性均表现出明显的非线性特征，且在温度、光强等外界条件发生变化时，输出特性还会发生变化。在光强为1kW/m2

，

温度为0～75℃

基于粒子群算法的最大功率点跟踪方法研究赵阳，符强，王镭，姚佳（宁波大学，浙江宁波315212）

摘要：利用Matlab语言建立了太阳能电池的计算仿真模型，分析了太阳能电池在温度、光强不同时输出最大功率的变化特性。采用粒子群算法对太阳能电池进行了最大功率点跟踪的仿真研究，实验结果证明粒子群算法具有很好的跟踪精度，同时也可大大提高最大功率点的跟踪效率。

关键词：太阳能电池；粒子群算法；最大功率点中图分类号：TM615文献标识码：A文章编号：1000-100X（2010）06-0032-02

TheMaximumPowerPointTrackingofSolarCellBasedonPSOAlgorithmZHAOYang，FUQiang，WANGLei，YAOJia（NingboUniversity，Ningbo315212，China）Abstract：Basedonthemathematicalfunctionformula，thesimulationmodelofsolarcellisbuiltinMatlab.Withthismod-el，outputfeaturesofsolarcellareanalyzedaccordingtothedifferenttemperatureandtheisolation.PSOalgorithmisusedtosearchthemaximumpowerpointofsolarcell.TheexperimentalresultdemonstratesthegoodeffectofPSOalgorithm.Keywords：solarcell；particleswarmoptimization；maximumpowerpointFoundationProject：SupportedbyStudentsResearchReserveProjectofNingboUniversity（No.2010089）；NingboNaturalScienceFoundation（No.2009A610061）；Pre-researchFoundationofcollegeofScienceandTechnologyofNingboUniver-sity（No.XYY09005）

图1太阳能电池等效电路图条件下及温度为25℃，光强为0.25～1kW/m2条件下分别对太阳能电池的输出功率特性做进一步分析，如图3所示。可见，不同条件下，太阳能电池的输出功率都具有唯一但变化的最大点。当光强不变时，最大功率点处的电压会随温度的增大而减小，同时最大输出功率值也相应减小；当温度不变，光强发生变化时，最大功率点处的电压只会出现小范围的变动，但最大输出功率值会随着光强增大而明显增大。2.3最大功率点分析为获取太阳能电池最大功率点的数学特征，对式（1）～（3）进行了分析。由式（1）可得太阳电池输出电压的表达式为：U=nkTqlnIL+I0-II0󰀁󰀂-IRs（4）因此由式（1），（4）可求出P-I特征关系式为：P=UI=nkTqlnIL+I0-II0󰀁󰀂I-I2Rs（5）式（5）中对I求一阶导数，可得：dPdI=nkTqlnIL+I0-II0󰀁󰀂-IIL+I0-I-2IRs=0（6）显然满足式（6）的I就是最大功率点处的电流，记为Imax。将Imax的结果代入式（4），即可求出最大功率点处的电压Umax，最终可求出最大功率Pmax=UmaxImax。但式（6）是一个复杂的超越方程，一般常规方法难于求解，而数值解法的求解过程有赖于初始值的选择，迭代时间很长，且精度要求难于保证。3粒子群算法粒子群算法是一种基于群体智能的并行全局随机搜索算法，其结构简单、可调参数少，同时具有搜索速度快、通用性强、鲁棒性高等优点，已被成功应用于函数优化、信号处理、电力系统优化、模式识别、数字电路优化等许多领域。在常规粒子群算法中，每个粒子的位置和速度都以随机方式在解空间内进行初始化，而后粒子群体追随全局最优和个体最优的方向群游，整个搜索更新过程紧跟当前最优解以获取目标。

假设粒子种群中的粒子总数为m，搜索空间为N维，其中第i个粒子在N维空间的位置可表示为xi=（xi1，xi2，…xiN），其飞行速度可表示为vi=（vi1，vi2，

…viN）。则寻优过程中各粒子速度及位置的更新可表示为：

vit+1=wvit+c1rand（）（pgt-xit）+c2rand（）（pit-xit

）

xit+1=xit+vit++1

（7）

式中：pgt为t次搜索后得到的全局最优值；pit为t次搜索后每个粒子自身找到的个体最优值。

粒子群体根据记忆因子c1和c2的取值调整向pg和pi转移的速度。为保持粒子多样性，rand（）将对

粒子的状态进行随机处理。

惯性权重w将影响粒子群算法的全局和局部搜索能力：较大的w值增强全局寻优能力，但同时减弱了局部收敛能力；较小的w值加快局部收敛速度，但同时减弱了全局寻优能力。为提高算法的收敛性能，平衡收敛的全局性和收敛速度，常规粒子群算法在寻优过程中往往对w进行线性衰减处理。

由式（7）可见，粒子群算法利用全局最优值p

g

和个体最优值pi不断调节整个粒子种群的位置和

速度状态，最终达到满意解。

4实验仿真与结果分析利用粒子群算法对式（6）进行最优值求解，从而确定最大功率点的输出电压与输出功率。种群个数取20，在（0，I

L+I0）内进行粒子群体随机初始化，

迭代

次数为100次。根据条件不同设置了两组实验，每组实验分别随机运行20次，并统计20次实验中所得数据的平均值作为最终实验结果。

在光强为1kW/m2

，温度为0～75℃时，

将粒子群

算法仿真实验结果与对太阳能电池的实际测量结果进行比较，如图4a所示。

在温度为25℃，光强为0.25～1kW/m2时，将粒子群算法仿真实验结果与对太阳能电池的实际测量结果进行比较，如图4b所示。

图2太阳能电池的输出特性图3太阳能电池的曲线

图4PSO仿真结果与实测结果对比（下转第77页）

基于粒子群算法的最大功率点跟踪方法研究33

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光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究

光伏发电系统最大功率点跟踪算法研究

析。
பைடு நூலகம்
【 关 键 词 】光 伏 发 电 ；ＭＰ Ｐ Ｔ； 恒 压 法 ； 导 纳 法
１ ． 引 言 随 着 社 会 经 济 的 不 断 发 展 ， 地 球 上 不
可 再 生 资 源 也 在 不 断 的减 少 ，能 源 枯 竭 阻碍 着 人 类 的 发 展 ，对 此 人 们 在 努 力 地 寻 找 新 能 源 。 太 阳 能 是 理 想 的 新 能源 ，它 取 之 不 尽 、 用之不竭 ，而且作 为清洁 能源无大 气和放射 性 污 染 ， 具 有 很 好 的应 用 前 景 。 在 对 太 阳 能 应 用 过 程 中 ， 由于 光 伏 电池 的 输 出不 稳 定 ， 受 环 境 影 响 很 大 ，输 出 效 率 低 ， 因此 对 光 伏 电 池 输 出 最 大 功 率 点 的 跟 踪 显 得 重 要 。 光 伏 电 池 可 以 工 作 在 不 同 的 输 出 电 压 ，但 只 有 在 某 一 输 出 电 压 值 时 ， 光 伏 电 池的输 出功率才 能到达最 大功率 点。使光伏 电 池 工 作 在 最 大 功 率 点 ，就 是 最 大 功 率 点 跟
图４ 系 统 结 构 图
根 据 光 伏 阵 列 输 出特 性 ， 即 ：
目前 国 内 外 已提 出 固 定 电压 法 、 扰 动 观 图３光伏阵列输出Ｐ － Ｖ曲线 察 法 、 电 导 增 量 法 、 自适 应 算 法 等 多 种 Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ ３ ． Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 控 制 方 法 分 析 算 法 ，这 些 算 法 各 有 各 的优 点 ，也 都 存 在 不 基 于不 同环 境 下光 伏 电池 输 出特 性 ， 足 。本文 以恒压法 和导纳法 为例 ，分析其基 有３ 种 方 法 可 以 实 现 最 大 功 率 点 跟 踪 ， 即恒 本 原 理 后 ， 分 别 对 其 进 行 系 统 仿 真 ， 得 出相 定 电 压 法 （ Ｃ Ｖ） 、扰 动 法 （ Ｐ ０ ）、 导纳法 应 的输 出 曲 线 。 （ ｉ ｃ ） ；Ｃ Ｖ 法 基 于 光 伏 电池 最 大 工 作 点 电压 在 ２ ． 光伏 阵列输出特性 不 同光 强 下 基 本 不 变 的特 点 ， 控 制 电池 电压 光 伏 阵 列 由 多 个 单 体 太 阳 能 电 池 串 并 保 持 恒 定 。 当 日照 强 度 较 高 时 ， 诸 曲线 的 最 联 封 装 而 成 ， 是 光 伏 发 电系 统 的 能 源 供 给 中 大 功 率 点 几 乎 都 分 布 在 一 条 垂 直 线 的 两 侧 ， 心 。太 阳 能 电池 等 效 电路 如 图 １ 所 示。 这 说 明光伏 阵列 的最 大 功 率输 出 点大 致对 应 于 某 一 恒 定 电压 ， 这 就 大 大 简 化 了Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 的 控 制 设 计 ， 即 人 们 仅 需 从 生 产 厂 商 处 获 得 数据Ｖ ｍ ａ ｘ ， 并 使 阵 列 的输 出 电 压 钳 位 于 Ｖ ｍ ａ ｘ 值即可 ，实际上是 把Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 控 制 简 化 为 稳 压 控 制 ，这 就 构 成 了Ｃ Ｖ Ｔ 式 的Ｍ Ｐ Ｐ Ｔ 控 制 。采 用 Ｃ Ｖ Ｔ 较之不 带Ｃ Ｖ Ｔ 的直接 耦合 工作方 式要 有利得 多 ，对 于 一 般 光 伏 系 统 可 望 获 得 多 至 ２ ０ ％ 的 电 能 。基 于 恒 定 电压 法 的 跟 踪 器 制 造 比较 简 单 ， 而 且 控 制 比 较 简 单 ， 初 期 投 入 也 比较 少 。 但 这 种 控 制 方 式 忽 略 了温 度 对 开 路 电压 的 影 响 ， 以 常 规 的单 晶 硅 光 伏 电 池 为 例 ， 当 环 境温 度每 升高 ｌ ℃ 时 ，其 开路 电压 下降约 为０ ． ３ ５ ～０ ． ４ ５ ％，具 体 较 准 确 的 值 可 以 用 实 验 测 得 ，也 可 以按 照 光 伏 电池 的 数 字 模 型 计 算 得 到 。 以某 一 位 于 新 疆 的 光 伏 电 站 为 例 ， 在环 境温度为 ２ ５ ℃ 时 光 伏 阵 列 的开 路 电压 为 ３ ６ ３ ． ６ Ｖ， 当环 境 温 度 为６ ０ ￣ Ｃ时 开 路 电 压 下 降 至２ ９ ９ Ｖ（ 均 在 日照 强 度 相 同情 况 下 ） ，其 下 降幅度 达到 １ ７ ． ５ ％， 这 是 一 个 不 容 忽 视 的 影 响 。Ｐ Ｏ 法与 Ｉ ｃ 法 都基 于最大 功率 点处Ｕ — Ｐ 曲 线 斜率 为０ 的关系 对 电池 电压进行 扰动 。Ｐ Ｏ 法 以ｄ ｐ／ ｄ ．＝ｏ 为 依 据 确 定 最 大 功 率 点 ， 算 法 简 单 ； 但 是 工 作 点 始 终 在 最 大 功 率 点 附 近 振 荡 ．且 该 方 法 所 用 的判 据 在 光 照 变 化 较 快 的 情 况下 会导 致跟 踪 失败 。Ｉ ｃ 法 在ｄ ｐ ／ ｄ ． ＝ ｏ 的
光伏发电系统最大功率点跟踪控制的研究

光伏发电系统最大功率点跟踪控制的研究


陕西理工学院学报 （ 自然科学版 ）
第２ ９卷
１ 改 进扰 动 观察 法 的原 理
光伏 电池输出的最大功率点是随着 日照的变化而变化的， 当１ ３ 照发生较大变化时 ， 需要光伏 电池能 够快速跟踪 日照变化。由于光伏电池在最大功率点时 ， 工作电流与短路电流成 比例关系， 通过测量光伏 电池的短路电流 ， 就可 以近似得到最大功率点的工作电流 ， 根据这个工作 电流 ， 快速调整光伏 电池的输 出功率 ， 使其接近最大功率点 。由于温度的变化 ， 使得短路 电流法的精确度较差 ， 因此下一步可采用扰
以看出， 这时电池并未工作在最大功率点 点， 要想使光伏 电 池在特性曲线Ｉ 上仍能输 出最大功率 ， 就需要通过对光伏 电池 的外部电路进行控制 ， 将其负载特性由负载曲线 １ 改变为负载 曲线 ２ ， 从而使光伏电池工作在最大功率点 Ｂ点… 。
扰 动观 察法 就 是 一 种 常 用 的最 大 功率 点 跟 踪 控 制方
２ ０ １ ３年 ８月 第２ ９卷第 ４期
陕西理工学院学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊ ｏ ｕ ｍａ ｌ ｏ ｆ Ｓ ｈ ａ ａ ｎ ｘ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｅ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ）
［ 摘 要］ 针对扰动观察法的速度和精度在很大程度上受扰动初始值和扰动步长的影响 ， 且在
最大功率 点 附近存在 功率振 荡现 象等 问题 ， 提 出一种改进扰 动观 察 法。首先 当 日照 变化较 快 时， 利用短路 电流使输 出功率 能够快速跟踪 在 最 大功率 点 附近 ， 然后 采 用 可变步 长 的扰 动观 察 法使 光伏 电池稳 定在 最大功 率点 。通过 仿 真 实验证 明该 改进 方 法明显 缩短 了最 大功 率点 的跟 踪 时 间， 并且基本 消除 了功 率振 荡现 象 ， 提 高 了最大功 率点跟踪控制技 术 。
PV系统最大功率点追踪控制技术研究

PV系统最大功率点追踪控制技术研究

PV系统最大功率点追踪控制技术研究随着太阳能发电技术的不断发展和普及，PV系统在新能源领域中扮演着越来越重要的角色。

PV系统的最大功率点（Maximum Power Point，简称MPP）是指在特定的太阳辐照度和温度下，PV系统可以输出最大电功率的电压和电流的组合。

由于影响MPP的因素较多，因此需要通过MPP追踪控制技术来保证PV系统的高效发电。

PV系统的MPP主要受到以下几个因素的影响：1.太阳辐照度PV系统的电流与太阳辐照度成比例，因此MPP也会随着太阳辐照度的变化而变化。

在不同的时段，太阳的辐照度会有所不同，因此需要通过MPP追踪控制技术来实时调整PV系统的电压和电流，以保证系统能够在不同的太阳辐照度下输出最大电功率。

2.温度PV系统的温度会影响系统中光伏电池的电性能，因此也会影响MPP的位置。

在高温下，光伏电池的电压降低，电流增加，MPP的位置向低电压方向移动；在低温下，光伏电池的电压增加，电流降低，MPP的位置向高电压方向移动。

因此，在设计MPP追踪控制技术时需要考虑温度对系统的影响。

3.阴影和污染PV系统中，阴影和污染会影响光伏电池的发电能力，进而影响MPP的位置。

阴影和污染会导致某些光伏电池的电流降低或者失去发电能力，从而影响整个PV系统的电功率输出。

在设计MPP追踪控制技术时，需要考虑如何减少阴影和污染对系统的影响。

为了保证PV系统的高效发电，需要采用MPP追踪控制技术来实时调整PV系统的电压和电流，以保证系统能够在不同的太阳辐照度和温度下输出最大电功率。

市面上常用的MPP追踪控制技术主要有以下几种：1.基于传统算法的MPP追踪控制技术这种技术通常采用模拟电路实现，通过程序控制器对系统的电压和电流进行调整，以实现MPP的追踪。

此外，也有基于微处理器控制的追踪技术。

这种技术的优点是实现简单，成本低，但对系统中的阻抗匹配要求较高。

2.基于改进算法的MPP追踪控制技术改进算法包括模糊逻辑控制、神经网络控制、遗传算法控制等，这些算法可以更精确地计算MPP的位置，并实现更精准的控制。

光伏发电最大功率点跟踪原理及分析

光伏发电最大功率点跟踪原理及分析

光伏发电最大功率点跟踪原理及分析3.2. 1 光伏发电最大功率点跟踪控制原理从光伏电池的特点中可以看出，它的输出电压与输出电流表现为非线性，而且输出功率 伴随光照强度的改变而变化 。

但是，总是有一最佳电压值，使太阳能电池在一定的条件下能 输出最大功率。

由戴维南定理得知，在特定的日照强度及气温情况下，太阳能电池阵列可表 示为电流源和电阻串联而成的等效电路，在负载电阻与等效内阻相等的情况下，此等效电路 出力最大[46] 。

此时，太阳能电池的输出量一定为最大功率。

3.2.2 部分遮蔽光伏系统的输出特性光伏电池在有部分被遮蔽的情况下时，会导致这些部分所受光辐照度降低 。

所以在此种 情况下的光伏电池输出特性曲线会产生较大波动，其输出特性曲线上有若干个极值点[47] 。

在 此背景下，常规最大功率点跟踪控制算法无法准确的跟踪到整条曲线的最大功率点，而是会 处于一种局部最优的情况[48] 。

下图 3-4 为光伏电池的输出特性曲线，其中曲线 A 表示光伏电 池受光均匀， 曲线 B 表示光伏电池部分被遮蔽。

7350 A 6300 A 2502003 150B2100 1 0 00 10 20 30 40 50 60 70 0 10 20 30 40 50 60 70U /V U /V不同条件下光伏电池的输出特性图由上图可知，在光照强度均匀的条件下，曲线 A 波动稳定，并且仅有一个极值点，这样 传统最大功率点跟踪控制算法就会轻松的将此点作为全局极值点， 以此来完成最大功率点跟 踪 。

但是在光照强度不均匀的条件下，曲线 B 进行了不稳定50 B 5 4波动，整段曲线上出现了两个极值点，传统最大功率点跟踪控制算法无法准确地区分出哪一个极值点为全局极值点，对接下来的工作造成一定的不便。

3.2.3 常见光伏发电最大功率点跟踪控制方法（1）恒定电压法恒压跟踪法直接忽略了温度对其的影响。

当光照强度不同时，装置工作的最大功率点电压大小接近，可选固定电压值。