带蓄电池的光伏系统中MPPT充电效果理论分析

光伏最大功率点跟踪原理

光伏最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，简称MPPT）是一种用于光伏发电系统中的技术，旨在寻找并保持光伏电池组的最大功率输出。光伏电池的输出功率受到光照强度、温度、负载电阻等多种因素的影响，而MPPT技术能够通过实时追踪光伏电池组的工作状态，调整工作点，从而实现最大功率输出。

光伏电池的输出功率与其工作电压和工作电流有关。在光照强度变化的情况下，光伏电池的工作电压和工作电流也会发生变化，从而影响光伏电池的输出功率。为了实现最大功率输出，MPPT技术需要实时监测光伏电池的工作电压和工作电流，并根据这些数据来调整光伏电池组的工作状态。

MPPT技术的实现主要依赖于功率追踪算法。常见的功率追踪算法包括传统的扫描法和现代的模型预测控制法。传统的扫描法通过改变负载电阻的方式来扫描出光伏电池组的最大功率点。该方法的原理较为简单，但实时性较差，且对于复杂光照条件下的功率追踪效果较差。而模型预测控制法则是通过建立光伏电池组的数学模型，预测出最大功率点的位置，并通过控制电流或电压来实现功率跟踪。该方法的原理更为精确，能够在复杂的光照条件下实现较好的功率追踪效果。

为了实现MPPT技术，光伏发电系统通常配备一个MPPT控制器。该控制器能够实时监测光伏电池组的工作状态，包括光伏电池的工作电压和工作电流。通过对这些数据的处理和分析，MPPT控制器能够确定光伏电池组的最大功率点，并通过调整光伏电池组的工作状态来实现最大功率输出。

MPPT技术的应用可以提高光伏发电系统的效率和稳定性。通过实时跟踪光伏电池组的最大功率点，MPPT技术能够最大限度地利用光能，提高光伏发电系统的发电效率。同时，MPPT技术还可以适应不同的光照条件，自动调整光伏电池组的工作状态，确保系统的稳定运行。

光伏最大功率点跟踪技术是一种关键的技术，能够有效提高光伏发电系统的效率和稳定性。通过实时追踪光伏电池组的工作状态，并通过调整工作点来实现最大功率输出，MPPT技术能够最大限度地利用光能，提高光伏发电系统的发电效率。随着科技的不断进步，MPPT技术也在不断优化和完善，为光伏发电行业的发展带来了更多的机遇和挑战。

民营科技２０１３年第９期　科技论坛　基于扰动观察法的光伏系统典型ＭＰＰＴ分析　朱心怡’黄克亚２尤凤翔２　（１、南京邮电大学海外教育学院，江苏南京２１０００３；２、苏州大学阳澄湖校区自动控制系，江苏苏州２１５１３）　摘要：太阳能光伏组件是非稳定电源，为有效利用太阳能，必须对其进行最大功率点跟踪（ＭＰ　）。现分析了光伏发电ＭＰＰＴ原　理，提出一种基于扰动观察法的ＭＰＰＴ控制方法，在Ｍａｆｌａｂ中建立扰动观察法仿真模型，仿真结果显示该算法简洁，容易实现，能够准　确地跟踪光伏阵列的最大功率点，且动态性能大大改善。有效地解决了常规的定步长扰动观察法的动态性能与稳态跟踪精度不能同时　获得的问题。　关键词：最大功率点跟踪；扰动观察法；光伏阵列　１概述　随着全球性能源危机和环境污染的Ｅｌ趋严重，有效、合理地　利用现有资源、保护环境已成为全球关注的焦点。太阳能光伏发　电具有无污染、无噪声、取之不尽、用之不竭等优点，成为新能源研　究的热点之一。然而太阳能光伏组件是非稳定电源，光照、温度、　负载的改变均会引起光伏电池输出功率变化，为有效利用太阳能　需要对其进行最大功率点跟踪Ⅲ。　２光伏阵列ＭＰＰＴ原理　光伏组件的输出存在着功率最大点，在特定的温度和光照条　件下，组件能否工作在最大功率点取决于组件所接负载。光伏发　电系统中，光伏阵列和负载之间多采用ＰｗＭ脉冲控制的　ＤＣ／ＤＣ变换器，主要原因是调节ＰｗＭ脉冲的占空比Ｄ可以调　节变换器的输入／输出关系，实现阻抗匹配，从而实现光伏阵列的　ＭＰ　Ｐ　Ｔ控制。如图１所示为光伏阵列的Ｐ—Ｄ特性曲线，其中　Ｐ为光伏系统输出功率，Ｄ为ＤＣ—ＤＣ变换器开关管ＰＷＭ信号占　空比，并且当ｄＰ／ｄＤ＝０时，输出功率达到最大。通过扰动占空比Ｄ　来获得输出功率Ｐ的变化方向　。　雕，（ｄ　獬　畸｝　棚邓哦　ｌ油　｛　＼俐　Ｄ曲　】　ｉ　｜　．　｜　，　．—　／　ｌ　－．●　．　＿．　．＿　占窑比｛Ｏ）　图１光伏系统Ｐ—Ｄ特性曲线　当光伏阵列与负载之间接Ｂｏｏｓｔ变换器时，如果负载为纯电　阻，变换器效率为１００％，忽略变换器电感自身电阻的情况下，　Ｂｏｏｓｔ变换器的等效输入阻抗为　Ｒ’＝ＲＬ×（１一Ｄ）　（１）　式中：ＲＬ为负载阻抗；Ｒ’为Ｂｏｏｓｔ变换器等效输入阻抗，Ｄ　为Ｂｏｏｓｔ开关管ＰＷＭ占空比。　由式（１）可知光伏阵列所接的等效负载是Ｄｃ—Ｄｃ变换器占　空比Ｄ和其所带负载的函数，调节变换器的占空比即可达到改变　光伏阵列等效负载的目的，使之在不同的外部环境下始终跟随光　伏阵列的内阻变化，两者动态负载匹配时就可以获得光伏组件的　最大输出功率，从而实现最大功率点跟踪。　于是论文提出一种基于占空比扰动的ＭＰＰＴ控制方法。直接　把占空比信号作为控制变量，只需要控制一个参数，从而使控制　器简单且便于实现，有利于降低系统成本［３】。　３扰动观察法　３．１扰动观察法跟踪原理。　扰动观察法原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列　输出电压，这一过程称为“干扰”，并观测之后其输出功率变化方　向，若△Ｐ＞Ｏ，说明参考电压调整的方向正确，可以继续按原来的　方向“干扰”；若△Ｐ＜０，说明参考电压调整的方向错误，需要改变　“干扰”的方向。其跟踪流程如图２所示，当光照或者温度突然变　化时，采用扰动观察法可能会产生误判现象，影响了最大功率跟　踪效果。　图２扰动观察法流程图　图３扰动观察法仿真电路　基金项目：江苏省２０１１年度高校科研成果产业化推广项目：ＬＥＤ照明系列产品推广应用暨太阳能大功率ＬＥＤ照明系统研发，项目编　号：ＪＨＺＤ１１－２５。　‘　作者简介：朱心怡（１９９２＿），女，本科生，研究方向：信号与信息处理。　黄克亚（１９８２一），男，讲师，硕士，研究方向：电气自动化。　尤凤翔（１９６ｃ｜＿一），男，教授，博士，研究方向：系统工程。

MPPT算法在光伏发电中的应用

1Newton插值法

1．1最大功率点附近的多项式推导分析光伏电池模型实际是由单个电池串并联组成，其中并联电阻很大，串联电阻很小，两者之比几乎为104倍，因此，在实际应用中忽略了因并联电阻存在的漏电流和因内电阻引起输出电压下降。那么光伏电池数学模型可以简化为。光伏发电系统稳定工作点在恒压区，也就是工作点的电压变化很小，因此光伏电池最大功率点附近的工作电压U可近似等于最大功率点处的工作电压Um。根据简化的模型可以得到在最大功率点附近的输出功率。

1．2Newton插值MPPT算法Newton插值算法利用二次插值的思想，仅通过一步就可以跟踪到最大功率点，在跟踪速度和精准度上有很大优点。Newton插值MPPT算法原理:采集系统最大功率点附近3个工作点(U0，P(U0))，(U1，P(U1))，(U2，P(U2))，应用Newton插值法构造出光伏电池V－P曲线。Newton插值法的实现过程如表1所示。

1．3改进型MPPT算法通过对以上两种方法的分析和研究，扰动观察法简单易实现但存在振荡，Newton插值法实现跟踪精度高，所以本文提出了一种将两者相结合的改进型MPPT算法，能够提高系统最大功率跟踪的稳态精度和跟踪的精度。该算法具体实现的思想是首先用变步长扰动观察法快速跟踪到最大功率点附近。0时，说明最大功率点在所取的三个点之间，此时用Newton插值法快速拟合出三点之间的曲线，精确的跟踪到最大功率点处。该算法实现的流程图如图3所示。情况(1)如图4所示，说明此时在最大功率点的左侧正在上坡，那么需要沿着同方向扰动，扰动量是变步长的，步长扰动量为h=ak1k2，a为扰动速度因子，文中取2，扰动后令电压:uout=u(k－2)+h。情况(2)如图5所示，说明此时在最大功率点的右侧正在下坡，那么需要向相反方向扰动，扰动后的电压为uout=u(k)－h。当k1k2＜0时，k1＞0，k2＞0或者k1＜0，k2＞0，如图6中③所示，说明此时最大功率点在这三点之间，那么用Newton插值法快速跟踪到最大功率点处，用DSP来控制输出电压。牛顿插值的输出电压公式。

光伏发电中MPPT控制方法综述

在光伏发电系统里，为了能充分利用光伏发电功率，最大功率点跟踪（MPPT）起着无法替代的作用。本文将进行具体的分析，以供参考。

标签：光伏发电；MPPT；控制；应用

1、前言

光伏產业是当今世界上增速最快的行业之一。为了实现环境和能源的可持续发展，光伏发电已成为很多国家发展新能源的重点，光伏发电将是未来主要的能量来源。为了充分利用太阳能源，通过最大功率点跟踪（MPPT）的控制方法来使能量最大化以逐渐成为发展趋势。

2、常见的MPPT控制方法

2.1 扰动观测法

扰动观测法是最大功率跟踪算法中使用最广泛的一种算法，基本思想是：首先增加或减小光伏电池板的输出电压（或电流），然后观测光伏电池输出功率的变化，根据功率变化再连续改变电压（或电流）的幅值，使光伏电池输出功率最终工作于最大功率点。扰动观察法由于简单易行而被广泛用于MPPT控制中，但随着研究的深入，该方法存在的不足之处逐渐显现出来，即存在震荡和误判的问题。

在实际应用过程中，由于检测精度和计算速度的限制，电压扰动的步长一般是一个定值，在这种情况下，就会产生震荡。当步长越小时，震荡就越小，跟踪的速度就越慢。要想达到理想的状态，就要在速度和精度做权衡考虑。在扰动观察算法运行过程中，当工作电压达到最大功率点附近时，由于步长恒定，有些情况下，工作电压会跨过最大功率点，改变扰动方向后，工作电压再一次反向跨过最大功率点，如此往复循环，即出现了震荡，即扰动观察法的震荡问题。当日照，温度等外界条件发生变化时，光伏阵列的特性缺陷也会跟着发生变化。而扰动算法却无法察觉到，算法还认为是在一条曲线上进行扰动观察，此时就会出现扰动方向误判的情况，即扰动观测法的误判问题。

定步长的扰动观测法存在震荡和误判的问题，使系统不能准确的跟踪到最大功率点，造成了能量损失，因此需要对上述定步长的扰动观测法进行改进。其中，基于变步长的扰动观测法可以在减小震荡的同时，使系统更快的跟踪到最大功率点；基于功率预测的扰动观测法可以解决外部环境剧烈变化时所产生的误判现象；基于滞环比较的扰动观测法在最大功率点跟踪过程中的震荡和误判这两方面均有较好的性能。